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MEJORAMIENTO Y SUSTITUCION DE LOS MATERIALES UTILIZADOS EN LA FABRICACION DE MUELLES DE BALLESTA

ANDRES FELIPE PEDRAZA PARDO 201210322

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGERNIRIA METALURGICA TUNJA, BOYACA 2015

MEJORAMIENTO Y SUSTITUCION DE LOS MATERIALES UTILIZADOS EN LA FABRICACION DE MUELLES DE BALLESTA

ANDRES FELIPE PEDRAZA PARDO 201210322

Propuesta de investigación

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGERNIRIA METALURGICA TUNJA, BOYACA 2015

TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN.................................................................................................................4 INTRODUCCION.......................................................................................................5 1.

MEJORAMIENTO Y SUSTITUCION DE LOS MATERIALES UTILIZADOS EN LA FABRICACION DE LOS MUELLES DE BALLESTA Y SU POSTERIOR IMPLEMENTACION A NIVEL INDUSTRIAL A PARTIR DEL AÑO 2017...................6 2.

AREA PRINCIPAL EN LA CUAL SE DESARROLLA LA INVESTIGACION.......6

3.

PROBLEMA DE ESTUDIO.................................................................................7

3.1. DIAGNOSTICO................................................................................................7 3.2. PRONÓSTICO.................................................................................................7 3.3. CONTROL AL PRONÓSTICO.........................................................................7 3.4. FORMULACION DEL PROBLEMA.................................................................7 3.5. SISTEMATIZACION DEL PROBLEMA...........................................................8 4. OBJETIVOS........................................................................................................9 4.1. OBJETIVO GENERAL.....................................................................................9 4.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS...........................................................................9 5. ALCANCE Y LIMITACIONES...........................................................................10 5.1. RESTRICCIONES DEL PROYECTO............................................................10 6. BASES TEORICAS...........................................................................................11 6.1. MARCO TEORICO........................................................................................11 6.2. ESTADO DEL ARTE......................................................................................14 7. DESARROLLO.................................................................................................16 7.1.

DISEÑO INICIAL, DEFINICION GENERAL..................................................16 7.1.2. Componentes y principio de funcionamiento......................................16

7.2.

SELECCIÓN DE MATERIAL POR METODO GRAFICO..............................17 7.2.1. Definición de requerimientos...............................................................17 7.2.2.

Cálculo del índice para la aplicación...................................................17

7.2.3.

Valores mínimos a ser mejorados.......................................................19

7.3. LINEAS DE DISEÑO DE LOS MATERIALES SELECCIONAOS.................31 8. CONCLUSIONES.............................................................................................33 9.

BIBLIOGRAFIA.................................................................................................34

RESUMEN El presente trabajo se enfoca en conocer el comportamiento bajo condiciones de carga de un muelle de ballesta, que es comúnmente utilizado en la mayoría de los sistemas de suspensión de vehículos de transporte y carga. Esto con el fin de buscar un material no metálico que cumpla y mejore los requerimientos en tanto a propiedades mecánicas y durabilidad para el trabajo se refiere; disminuyendo costos y haciendo en lo posible mucho más liviana esta sección, contribuyendo así a economizar combustible, mejorar las condiciones laborales del chofer y producto transportado y sobre todo, brindar economía y durabilidad en la suspensión del vehículo.

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INTRODUCCION El sistema de suspensión del vehículo es el encargado de mantener las ruedas en contacto con el suelo, absorbiendo las vibraciones, y movimientos provocados por las ruedas en el desplazamiento de vehículo, para que estos golpes afecten lo menos posible al bastidor. El diseño correcto de las suspensiones es un aspecto al que los fabricantes dedican gran atención. El diseño comienza por la selección del tipo de suspensión a emplear y continúa con la elección del material a utilizar en los mismos. De forma general es imprescindible una etapa paralela de experimentación de diferentes variantes de suspensión para llegar a la solución más adecuada. Muelles de ballestas Los muelles de ballestas son artículos mecánicos usados de forma industrial en aplicaciones diversas desde hace más de un siglo, su objetivo principal es permitir el vínculo elástico entre dos elementos. Su necesidad es evidente en los diferentes tipos de vehículos usados por el hombre a través de los tiempos; es sabido que los primeros sistemas de suspensión fueron implementados por los Romanos. Las ballestas están constituidas por un conjunto de hojas o láminas de acero especial para muelles, unidas mediante abrazaderas, que permiten el deslizamiento entre las hojas cuando éstas se deforman por el peso que soportan como se observa en la Figura 1.

Figura 1. Esquema de un muelle de ballestas

La hoja superior, llamada hoja madre o maestra, va curvada en sus extremos formando unos ojos en los que se montan unos casquillos de bronce para su acoplamiento al soporte del bastidor por medio de unos pernos o bulones. El número de hojas y el espesor de las mismas están en función de la carga que han de soportar. Funcionan como los muelles de suspensión, haciendo de enlace entre el eje de las ruedas y el bastidor. En algunos vehículos, sobre todo en camiones, además de servir de elementos de empuje, absorben con su deformación longitudinal la reacción en la propulsión.

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1 MEJORAMIENTO Y SUSTITUCION DE LOS MATERIALES UTILIZADOS EN LA FABRICACION DE LOS MUELLES DE BALLESTA Y SU POSTERIOR IMPLEMENTACION A NIVEL INDUSTRIAL A PARTIR DEL AÑO 2017. 1. AREA PRINCIPAL EN LA CUAL SE DESARROLLA LA INVESTIGACION Él estudia va enfocado a la suspensión de un vehículo pesado la cual es una de las partes más importantes en su estructura, ya que gracias a esto el manejo del vehículo se vuelve placentero, el tipo de suspensión a utilizar se elige de acuerdo al tipo de carga y camino por el que se conduzca comúnmente, debido a que no es fácil transportar demasiado peso por carretera. Hoy en día, existe un gran avance tecnológico en el diseño de suspensiones que ofrecen buen manejo, funcionalidad y bajo mantenimiento del vehículo, por lo que podemos encontrar muchas variantes y aplicaciones que de acuerdo al tipo de carga y servicio al que se dedica. Existen suspensiones mecánicas y neumáticas de diseños avanzados, cuya capacidad de este tipo de suspensiones va desde 4 hasta 20 toneladas, en aplicaciones de eje sencillo, ejes tándem y ejes tridem.

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2. PROBLEMA DE ESTUDIO 2.1.

DIAGNOSTICO

Actualmente los muelles de ballesta son ampliamente utilizados en los sistemas de suspensión de vehículos de transporte pesado; este sistema de amortiguación al pasar el tiempo ha cumplido satisfactoriamente los trabajos encomendados llegando así a ser prácticamente irremplazable. A pesar de esto, en la actualidad uno de los inconvenientes de las ballestas es su tendencia a la deformación bajo los esfuerzos originados en la aceleración y frenado, al igual que la ruptura por fatiga o exceso de carga que hoy por hoy es un fenómeno común entre los transportadores. 2.2.

PRONÓSTICO

De continuar llevándose a cabo sobre exigencia de los muelles en ballesta de acero, se presentarían fallas del material regularmente, provocando así gastos al chofer innecesarios y pérdida de tiempo producto de la inactividad del vehículo por la falta de suspensión. Además al ser este tipo de suspensión un poco rígida y brusca, el vehículo y la carga sufrirán deterioro a partir de las vibraciones durante el trayecto. 2.3.

CONTROL AL PRONÓSTICO

Una buena forma de mitigar las deficiencias demostradas por los muelles de ballesta es remplazando el material con el cual se fabrican, buscando una que presente las mismas propiedades mecánicas y además, sea más liviano, fácil de manipular y sobre todo ofrezca mayor amortiguación y deformación plástica. 2.4.

FORMULACION DEL PROBLEMA

¿Conociendo el comportamiento de los muelles de acero utilizados actualmente en los vehículos de carga pesada, sus ventajas y desventajas; que beneficios tendría la sustitución del material de fabricación tanto en el desempeño mecánico como en la durabilidad del muelle?

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2.5.

SISTEMATIZACION DEL PROBLEMA



¿Qué influencia tienen la cantidad de carga en la durabilidad del muelle?



¿Qué influencia tiene el número de hojas utilizadas en los muelles?



¿Cuál es el material idóneo para la fabricación de muelles de ballesta?



¿Qué eficiencia o mejoras se lograría con un material no metálico para esta tarea?

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3. OBJETIVOS Para la realización de este trabajo se planteó un objetivo general y para el cumplimiento de este, se plantearon varios objetivos específicos. La metodología y todas las actividades asociadas realizadas se diseñaron para responder al cumplimiento de los objetivos planteados. 3.1.

OBJETIVO GENERAL

Seleccionar un material no metálico que pueda ser utilizado en los muelles de ballesta con el fin de buscar alternativas al acero y lograr mejor rendimiento en la suspensión de vehículos pesados. 3.2.

OBJETIVOS ESPECIFICOS



Buscar un material no metálico que cumpla con las propiedades mecánicas que requiere un muelle, con ayuda del CES Edupack.



Realizar la selección de uno o más materiales para su estudio.



Realizar análisis sobre la viabilidad de la utilización de los posibles materiales sustitutos.



Realizar la selección correcta con el fin de implementar el material en un muelle de vehículo pesado.

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4. ALCANCE Y LIMITACIONES Se entregara un informe en el cual se proporcionaran resultados del análisis de selección realizado. Este proceso de selección tendrá en cuenta valores comparativos del módulo de elasticidad, módulo de poisson, dureza, resistencia a la fluencia y deformación. A esto se le añadirá una lista de entregables tales como: 

Evidencias fotográficas de la utilización del CES edupack



Tablas comparativas de los materiales y sus propiedades.



Posibles métodos de fabricación de los materiales seleccionados.



Informa final del proyecto.

4.1.

RESTRICCIONES DEL PROYECTO

El proyecto de investigación “mejoramiento y sustitución de los materiales utilizados en la fabricación de muelles de ballesta” se centrara en la búsqueda y selección de un material que remplace el acero en la fabricación de muelles para vehículos pesados; teniendo en cuenta las propiedades mecánicas a las que está sometido el muelle durante condiciones extremas de trabajo. No se tendrá en cuenta la marca o tipo de vehículo sino su capacidad y se trabajará bajo procesos y estándares ya establecidos en el CES edupack.

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5. BASES TEORICAS 5.1.

MARCO TEORICO

El sistema de suspensión de un vehículo es el conjunto de elementos que unen el chasis de un automóvil con la superficie rodante, tiene como misión mantener el contacto entre la rueda y la carretera y la absorción de las irregularidades del terreno para conseguir, por una parte un mayor control y seguridad del vehículo y, por otra, la comodidad de los ocupantes. Una suspensión debe tener dos cualidades; la elasticidad, para evitar golpes secos en el bastidor debido a las irregularidades del terreno y la amortiguación, que impida un excesivo balanceo de los elementos que constituyen la suspensión. 

La masa suspendida, que comprende todos los elementos cuyo peso es soportado por el chasis o bastidor (motor, carrocería, caja de cambios, etc.).



La masa no suspendida, que abarca el resto de partes del vehículo como la suspensión, los brazos de la dirección, trapecios, manguetas, discos de freno, etc. es la parte del vehículo que está permanentemente en contacto con la calzada.

El sistema de suspensión se puede considerar como parte de la masa no suspendida que enlaza con la masa suspendida por medio de una unión elástica: ballestas, muelles, barras de torsión, dispositivos neumáticos, de caucho, etc., que no solamente amortiguan los golpes que las ruedas transmiten al bastidor, sino también los que el mismo peso del coche devuelve a las ruedas a causa de la reacción. Otra función del sistema de suspensión es la de dar protección a los órganos del vehículo, para conseguirlo se diseña la suspensión de manera que la mayor parte de la energía sea absorbida por los elementos amortiguadores y que los momentos producidos por estas fuerzas sean lo más pequeños que sea posible. Además de estos objetivos fundamentales que debe cumplir cualquier sistema de suspensión, este debe realizar funciones tan importantes como soportar el peso del vehículo, mantener la posición de los neumáticos y la geometría de la dirección en perfecto estado de funcionamiento respecto a la superficie de la carretera en curvas o reducir el efecto de las fuerzas excitadoras.

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COMPONENTES DE LA SUSPENSION En el sistema de suspensión hay dos funciones principales a realizar: almacenar y absorber energía. Estas dos funciones las realizan normalmente dos componentes distintos: los elementos elásticos, comúnmente llamados resortes, y los elementos amortiguadores. ELEMENTOS ELASTICOS DE LA SUSPENSION Los elementos elásticos de la suspensión son los elementos destinados a almacenar la energía cinética que posee la masa no suspendida con respecto a la suspendida para devolverla más tarde. Idealmente, un elemento elástico debería devolver el cien por cien de esa energía que absorbe cuando la rueda se desplaza verticalmente para posteriormente devolverla a su posición original, pero en la realidad no es así. Esto marca principalmente las diferencias entre los distintos tipos de elementos elásticos que se utilizan en un sistema de suspensión. Además tiene como función la de sostener el peso del cuerpo del coche (la llamada “masa suspendida”). -

BALLESTAS: Las ballestas están constituidas por un conjunto de hojas o láminas de acero especial para muelles, unidas mediante unas abrazaderas, que permiten el deslizamiento entre las hojas cuando éstas se deforman por el peso que soportan. La hoja superior, llamada hoja maestra, va curvada en sus extremos, formando unos ojos en los que se montan unos casquillos o “silentblocks” para su acoplamiento al soporte del bastidor, por medio de pernos o bulones. La segunda hoja puede ser de la misma longitud, pero las demás van disminuyendo su tamaño y siendo más curvadas. El número de hojas y su espesor está en función de la carga que han de soportar. Todas las hojas se unen en el centro mediante un tornillo pasante con tuerca, llamado «capuchino» y se mantienen alineadas por abrazaderas para evitar que se abran en abanico. La ballesta, que presenta cierta curvatura, tiende a ponerse recta al subir la rueda con las desigualdades del terreno, aumentando con ello su longitud. Por este motivo, su unión al chasis deberá disponer de un sistema que permita su alargamiento. Generalmente, este dispositivo se coloca en la parte trasera de la ballesta y consiste en la adopción de una gemela que realiza la unión al chasis por medio de un tornillo pasante (véase figura 6.1).

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Figura 6.1. Gemela montada en una ballesta.

La principal característica de las ballestas es su elevada rigidez, que depende del espesor y ancho de las hojas, así como del número de hojas utilizadas. La rigidez de las ballestas es lineal en relación al desplazamiento de la rueda, por lo que tienen una constante de rigidez, que se calcula de diferente modo según el tipo y configuración de la ballesta. Las ballestas, debido a su construcción, presentan un rozamiento que actúa como amortiguamiento parásito que no podemos controlar, ya que depende del coeficiente de rozamiento ente láminas, y este a su vez del estado de limpieza y engrase de las ballestas. Es preferible que la función de amortiguamiento la realice en su totalidad un elemento específico, por la mejora en control que esto implica. La tendencia actual en las ballestas es a tener menos hojas y menos curvas, llegando a tener sólo una con los nuevos materiales compuestos, que pueden reducir en gran medida el problema del elevado peso y el de la fricción entre hojas. La suspensión por ballestas suele emplearse en vehículos dotados de puentes delantero y trasero rígidos.

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5.2.

ESTADO DEL ARTE

El diseño de los muelles de ballesta se hace generalmente a partir de modelos simplificados, que no tiene en cuenta la fricción entre las hojas (1). Normalmente se calculan o comprueban los esfuerzos máximos en las hojas y la deformación máxima del conjunto para la carga máxima. El no considerar la interacción entre hojas del muelle hace que se trate al muelle de ballesta como un resorte lineal, con rigidez constante. En realidad, su comportamiento no es lineal y la rigidez es variable, dependiendo de la deformación. En muchos análisis dinámicos de las suspensiones se incluye la rigidez del muelle también como una constante, y no se incluye el amortiguamiento debido a la ballesta. Un modelo teórico que puede llenar el vacío en este tema puede ser el propuesto en (2), aunque este no incluye la fricción, permite determinar además de los parámetros usuales, las presiones entre laminas y la holgura entre laminas bajo carga. La obtención de una formulación teórica para determinar la forma de varias laminas colocadas una sobre otra bajo carga, sin considerar factores externos, se propone en (3). Un estudio comparativo de un muelle de ballestas de acero y otro de material compuesto se hace en (4), para uso automotriz. En el mismo se dan los resultados de un modelo de FEM de una ballesta de 4 láminas a carga estática. Estos se comparan con resultados usando el procedimiento de SAE HS 788 y otros experimentales, mostrando buena concordancia. Una propuesta de muelle de ballesta a base de materiales compuestos, en específico GFRP se brinda en (5) para un vehículo ligero. Las causas de fallo de los muelles de ballesta de acero se estudian en (6).El fallo prematuro más frecuente es atribuible a la fatiga. El autor destaca la importancia del proceso de endurecimiento en lo referido a la reducción de las grietas superficiales y a la correcta elección del espesor de las láminas. El carácter no lineal de los muelles de ballesta se pone de manifiesto en las simulaciones de la dinámica de vehículos, sobre todo en casos de vehículos de gran parte o articulados. En (7) se discuten varias formas de modelar una suspensión por ballestas y por aire. En el caso de la suspensión por ballestas se señala que esta tiene el mayor carácter no lineal dentro de las suspensiones automotrices, esto se manifiesta al resultar en un error del 45% empleando el método UMTRI (8). La modelación de muelles de ballestas considerando el fenómeno del contacto entre láminas y la fricción sigue siendo un problema actual. El estudio del grado de no-linealidad y su influencia en la dinámica de las suspensiones dependen en gran medida en estos momentos de la obtención de datos experimentales, a falta de modelos más representativos. 14

El tratamiento del problema del contacto por FEM ha recibido especial atención por los investigadores en los últimos años. Desde los trabajos de Signorino entre 1933 y 1959, mucho se ha avanzado en la formulación. Un acertado resumen se hace en (9), se discuten los enfoques a partir de ecuaciones variacionales o inecuaciones variacionales; y se discuten los métodos del penalti y de Lagrange aumentado. En general es necesario usar un método numérico para resolver el problema no-lineal, y es también necesario seleccionar adecuadamente un conjunto de factores para asegurar la convergencia, y en un tiempo razonable, evitando que el problema sea “ ill-conditioned” . Un modelo apropiado debe incluir el fenómeno del contacto, y la fricción, discutir el análisis de pequeñas o grandes deformaciones, permitir una solución en un tiempo de cálculo razonable y no ser “mal condicionado”.

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6. DESARROLLO 6.1.

DISEÑO INICIAL, DEFINICION GENERAL

6.1.1. Funciones del sistema El resorte de ballesta, como los demás tipos de resortes, sirve para absorber y almacenar la energía y luego regresarla. Durante este ciclo los esfuerzos en el resorte no exceden cierto máximo con el fin de evitar ruptura o fallas prematuras. Este límite se considera como la cantidad de energía que puede almacenar cualquier resorte. Este tipo de cualidades ha promovido su implementación en la suspensión de los vehículos de carga pesada, soportando así elevadas cargas y amortiguando los movimientos bruscos que se producen por los defectos de las carreteras en el país. 6.1.2. Componentes y principio de funcionamiento Un resorte de ballesta (o muelle) se compone principalmente de: hojas, bujes, tornillo central, abrazaderas y separadores, que actúan de forma integral como un solo elemento.

Este resorte siempre está sometido a permanentes oscilaciones acompañadas de esfuerzos de tensión y compresión y, por consiguiente, la alteración de cualquiera de sus componentes afecta el funcionamiento y acorta su vida útil. En el diseño de estos resortes se analizan los esfuerzos máximos y se establece su vida útil (que se mide por el número de ciclos o movimientos alternativos que puede soportar antes de presentarse una falla).

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Cada resorte obedece a un diseño específico que establece la capacidad de carga y condiciones de instalación, según la geometría de la suspensión de cada vehículo en particular. Durante su funcionamiento normal, los resortes están sometidos a esfuerzos de tensión y compresión, pero hay que añadirle el de fricción entre las hojas, que provocan calentamiento del material y dan origen a la fatiga. Esta fatiga ocasiona el debilitamiento del material hasta la fractura del mismo. 6.2.

SELECCIÓN DE MATERIAL POR METODO GRAFICO

6.2.1. Definición de requerimientos Para la fabricación de una hoja de resorte de un vehículo se busca obtener un material que nos proporcione un alto esfuerzo de flexión; una baja densidad y una rigidez considerable; al ser disminuida a rigidez podremos obtener muelles que proporcionen mejor comodidad a la hora de conducir. El módulo de elasticidad debe ser mínimo de 170 GPa para evitar deformación excesivas que eviten el adecuado funcionamiento del muelle. 6.2.2. Cálculo del índice para la aplicación. 

Los índices más utilizados para la selección de materiales en una hoja de resorte son los siguientes: 2

M 1=

σf E∗ρ

Donde E es el módulo de Young,

ρ

la densidad del material y

σf

el esfuerzo

de flexion. Para la realización del índice M1 el primer paso consiste en identificaqr el atributo a ser maximizado o minimizado, en este caso, se maximizara la cantidad de energía por unidad de masa. En un segundo paso se desarrolla una ecuación para este atributo y se relaciona con aspectos de la geometría del componente y de las propiedades del material, y esta ecuación se convierte en la función onjetivo p. entonces tenemos:

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(3)

Donde δ es el desplazamiento del resorte en el sentido de la fuerza. La fuerza ejercida en el centro del resorte produce un esfuerzo de flexión σf que se puede expresar en función del área A y el factor de seguridad S f como:

(4)

La variable F depende de otras variables por la expresión:

(5)

Donde l es la longitud del resorte, E el módulo de Young, I el momento de inercia de la sección y C1 una constante que vale 192 para este caso [5]. Reemplazando 5 en 4 y resolviendo para δ se tiene:

(6)

Las ecuaciones 4,5, 6 representan los pasos tres, cuatro y cinco, que tienen que ver con la identificación de otras variables que intervienen, dar un orden de importancia y desarrollar finalmente una ecuación que pueda ser substituida en la función objetivo, respectivamente, en este caso el valor de δ. El paso seis consiste en reemplazar δ en la función objetivo, dando como resultado:

(7)

El paso siete consiste en agrupar la función objetivo en tres grupos a saber: requerimientos funcionales F, geometría G y propiedades del material M. La función objetivo entonces es ahora:

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El paso ocho asigna el índice de desempeño como una cantidad M a ser maximizada y en este caso maximizar la función f 3, maximiza la función objetivo p que es la cantidad de energía por unidad de masa. El índice es: 2

M 1=

σf E∗ρ

El índice del material nos determina la máxima energía elástica almacenada por unidad de masa; sin fallos

6.2.3. Valores mínimos a ser mejorados Por lo general para las hojas de un muelle de ballesta se utiliza acero AISI 5160 la siguiente tabla nos muestra las propiedades que cumple este tipo de acero: (10)

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6.2.4. Selección del material mediante graficas 6.2.4.1.

Selección mediante diagrama de barras

Material compuesto CFRP isotrópico (Matriz Epoxídica Reforzada con Fibra de Carbono) Aleaciones de magnesio para forja Acero ordinario de alto contenido en carbono

( Límite elástico / Densidad )

Aleaciones de aluminio para forja no envejecibles 0.1

Polímero PET (Tereftalato de polietileno) Polímero ABS (Termoplástico de Acrilonitrilo, Butadieno y Estireno) Goma o caucho SBR (copolímero de estireno y butadieno)

0.01

0.001

1

Grafica 1.1. Diagrama Limite elástico / densidad

1Tomado de: Software para selección de materiales Ces Edupack

20

ANALISIS Mediante esta grafica se establecieron los materiales que soportaban mayor esfuerzo sin sufrir deformación alguna; los resultados fueron los siguientes colocando como límite inferior 0.02. RESULTADOS

21

22

6.2.4.2.

Selección del material mediante límites.

En esta sección utilizamos los valores en las propiedades mecánicas que presenta el acero AISI 5160 debido a que la finalidad es mejorar el funcionamiento de este; mediante la selección por límites se obtuvieron los siguientes resultados.

2

RESULTADOS

Estos 5 materiales podrían ser utilizados para la fabricación de muelles; a continuación se establecerán relaciones en tanto a otros parámetros que nos permitirán elegir de acuerdo a le necesidad que se requiera.

2 Tomado de: Software para selección de materiales Ces Edupack

23

6.2.4.3.

Selección mediante el índice

5e6

Aleaciones de titanio

2e6

Superaleaciones de base níquel

( Límite elástico ) ^ 2

1e6

500000

200000

Acero de baja aleación

Material compuesto CFRP isotrópico (Matriz Epoxídica Reforzada con Fibra de Carbono)

100000

50000

20000

100000

200000

500000

1e6

( Modulo de Young * Densidad )

2e6

Grafica 1.2. Diagrama Limite elástico2 / Modulo de Young por Densidad

24

5e6

ANALISIS Mediante esta grafica se establecieron los materiales que soportan mayor energía elástica sin fallar obteniendo los siguientes resultados: Según el índice el mejor de todos es el material CFRP; este soportaría mayor peso y al mismo tiempo pesaría menos. Material compuesto CFRP isotrópico (Matriz Epoxídica Reforzada con Fibra de Carbono) Material Los composites reforzados con fibra de carbono (CFRP) ofrecen una mayor rigidez y resistencia que cualquier otra alternativa, pero son considerablemente más caros. Las fibras continuas en una matriz de poliéster o epoxy ofrecen el mayor rendimiento. Las fibras soportan las cargas mecánicas, mientras que el material de la matriz transmite las cargas a las fibras y proporciona ductilidad y tenacidad, así como la protección de las fibras de los daños causados por la manipulación o el medio ambiente. Es el material de la matriz, quien limita la temperatura de servicio y las condiciones de procesamiento. Composición (resumen) Epoxi + refuerzo con fibra de carbono HS continua (0, +-45, 90), disposición quasi-isotropica. Propiedades generales Densidad Precio Fecha de primer uso ("-" significa AC)

1.5e3 * 7.28e4 1963

-

1.6e3 8.08e4

kg/m^3 COP/kg

69 28 43 * 0.305 550 550 440 * 0.32 * 10.8 * 150

-

150 60 80 0.307 1.05e3 1.05e3 840 0.35 21.5 300

GPa GPa GPa

Propiedades mecánicas Modulo de Young Modulo a cortante Módulo en volumen Coeficiente de Poisson Límite elástico Resistencia a tracción Resistencia a compresión Elongación Dureza-Vickers Resistencia a fatiga para 10 ^ 7 ciclos

25

MPa MPa MPa % strain HV MPa

6.2.4.4.

Selección teniendo en cuanta la energía elástica soportada y el costo.

( Límite elástico ^ 2 ) / ( Densidad * Modulo de Young )

6.2.4.5. 6.2.4.6. 100

Material compuesto CFRP isotrópico (Matriz Epoxídica Reforzada con Fibra de Carbono) 10

Acero de baja aleación

1

Superaleaciones de base níquel Aleaciones de titanio

0.1

1000

10000

Precio (COP/ kg)

6.2.4.7. 6.2.4.8.

Grafica 1.3. Diagrama Índice / costo 6.2.4.9.

26

100000

6.2.4.10.

27

6.2.4.11. ANALISIS 6.2.4.12. 6.2.4.13. Al relacionar la energía elástica soportada por el material sin sufrir fallo, con el precio del mismo, podemos concluir que el material más económico y que mejora las propiedades del AISI 5160 utilizado normalmente es: 6.2.4.14.

6.2.4.15.

Acero de baja aleación

6.2.4.16.

6.2.4.17. 6.2.4.18. 6.2.4.19. Material 6.2.4.20. 6.2.4.21. 6.2.4.22. El hierro puro es un material blando. Si se le añade carbono y se trata bien térmicamente, se puede obtener un material que casi tan duro y quebradizo como el cristal, o dúctil y resistente como la chapa para calderas. Tratar térmicamente significa calentar el acero a unos 800°C para disolver el carbono y, a continuación, enfriarlo rápidamente (templarlo) pudiendo posteriormente aliviar tensiones con un calentamiento menor (revenido). El temple del acero lo convierte en duro, quebradizo debido a la martensita. Templando poco a poco el metal se restablece la resistencia y baja la dureza. El control del tiempo y temperatura de revenido permite controlar las propiedades finales. Es maravilloso lo que el 1% de carbono puede hacer. Pero (el inevitable "pero") la velocidad de enfriamiento inicial tiene que ser rápida (mayor de 200 °C/segundo para los aceros al carbono). No hay ninguna dificultad en la transformación de la superficie de una pieza a martensita, pero el interior se enfría más lentamente ya que el calor ha de atravesar el material. Si la pieza sólo tiene unos pocos milímetros de espesor, hay algún problema, el interior no se enfría lo suficientemente rápido. El problema se supera mediante la aleación. Al añadir un poco de manganeso (Mn), níquel (Ni), molibdeno (Mo), o cromo (Cr), la velocidad de enfriamiento crítica se viene abajo, permitiendo que las secciones de espesor sean endurecidas y templadas. Agregando algo de vanadio (V) se consigue una fina dispersión de los carburos que dan dureza, 28

manteniendo la resistencia y ductilidad. Los aceros al cromomolibdeno como el AISI 4140 se utilizan para tubos de aeronaves y otras piezas de alta resistencia. Los aceros al cromo-vanadio se utilizan para cigüeñales, ejes de hélices y herramientas de alta calidad. Los aceros aleados para este propósito se llaman aceros de baja aleación, y la propiedad fundamental que tienen es la "templabilidad". 6.2.4.23. Composición (resumen) 6.2.4.24. Fe/