ESFUERZOS DINÁMICOS EN EMBRAGUE TIPO "FLOTADOR" PARA

LAVADORA AUTOMÁTICA

Participantes:Edson Joel Hernández Hernández*Rodríguez Cruz Rafael Angel*Luis Ballesteros Martínez**Negrete Romero Guillermo*

*F.I.M.E.E., Universidad de Guanajuato ** MABE T y P Líder de Subsistema

CONTENIDO:

1.- Descripción y solución del modelo numérico.

2.- Descripción y adquisición experimental.

3.- Comparación entre los datos numéricos y experimentalesrealizados.

4.- Ideas para mejorar el modelo numérico actual.

5.- Análisis y resultados de la prueba en Centrifugado.

6.- Conclusiones.

Descripción y solución del modelo numérico.

Campana

Flotador

Embraguefijo

Par aplicado

CampanaSolid 45E=783e3psi; ν=0.35

FlotadorSolid 45E=1e6psi; ν=0.33

Embrague fijoSolid 45E=10e6psi; ν=0.33

Par aplicadoPresión tangencial

Restricción carasinternas delembrague

Descripción y solución del modelo numérico.

Elementos contactoentre la campana yel flotador

Elementos contactoentre la flotador y elembrague fijo

Descripción y solución del modelo numérico.

Las corridas se realizaron en ansys aplicando un par de: 10, 20, 30 y 40 lb-in, locual se traduce en una carga de presión tangencial aplicada al modelo de: 11.1,22.2, 33.3 y 44.4 psi, respectivamente.

Ahora bien el punto de interés en el presente análisis se enfocara a lalocalización donde se encuentra ubicada la galga extensometrica, la cual secoloco en el flotador aproximadamente a 1” del extremo superior. Y acontinuacion se presentan los resultados obtenidos del modelo numerico paraesa localizacion:

Carga (lb)

Brazo de palanca

(in)Torque (lb-in)

Esfuerzo von misses (ansys) σ

1 10 10 37.664

2 10 20 75.251

3 10 30 112.734

4 10 40 150.007

Carga (lb)

Brazo de palanca (in)

Torque teorico (lb-in)

Torque Crio (lb-in)

Esfuerzo von misses (ansys) σ

1 4.28 4.28 4.19 58.1

2 4.28 8.56 8.46 75.251

3 4.28 12.84 12.78 112.734

4 4.28 17.12 17.07 150.007

Descripción y adquisición experimental.

r

F

T

De igual forma se llevo a cabo una medición experimental delmismo fenómeno por medio del Crio, en el cual se proporcionauna fuerza “F” de: 1, 2, 3 y 4 lb, un radio “r” de 4.28in, dandocomo resultado un par T aplicado a los elementos de: 4.28,8.56, 12.84 y 17.12 lb-in respectivamente.

Los resultados obtenidos por el Crio se enlistan acontinuación:

Comparación entre los datos numéricos y experimentales realizados.

Comparacion del Esfuerzo Numerico y Experimentalen flotador

y = 13.686x - 0.7709

y = 3.7451x + 0.286

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Torque (lb-in)

Esf

urz

o d

e V

on

Mis

ses

(psi

)

Curva experimentalCurva numericaLineal (Curva experimental)Lineal (Curva numerica)

De la grafica se puede observar que existe una relación entre el esfuerzo numéricoy el experimental de: σexperimental=3.7σnumerico

Ideas para mejorar el modelo numérico actual.

1.- Refinamiento Local de Malla (Nodal y Elemento) desde el 1 (mínimo)hasta el 5 (máximo),

2.- Disminuir a la mitad Rigidez de Elementos de Contacto,

3.- Aplicar Par Mecánico a través de Nodo Maestro

4.- Verificar el contacto entre los componentes.

Refinamiento Local de Malla (Nodal y Elemento) desde el 1 (mínimo) hasta el 5 (máximo).

De la tabla se observa un ligero incremento en el valor de esfuerzo de Von Missescon el incremento del refinamiento de la malla existente en la localización de lagalga extensometrica, por que esta idea se descarta como una posibilidad demejorar el modelo de elemento finito.

Torque aplicado al modelo 10 lb-inEsfuerzo Von Misses (ANSYS) σ (sin refinar malla) 37.664 psiEsfuerzo Von Misses (ANSYS) σ 1 mínimo 37.673 psiEsfuerzo Von Misses (ANSYS) σ 3 intermedio 37.691 psiEsfuerzo Von Misses (ANSYS) σ 5 máximo 37.782 psi

Disminuir a la mitad Rigidez de Elementos de Contacto.

De la tabla no se observa un cambio en el valor de esfuerzo de Von Misses con ladisminución del valor del modulo de young (E=0.5e6psi) con el cual se elaboraronlos elementos de contacto, por que esta idea también se descarta como unaposibilidad de mejorar el modelo de elemento finito.

Torque aplicado al modelo 10 lb-in

Esfuerzo von misses (ansys) σ (sin modificar acoplamientos) 37.664 psi

Esfuerzo von misses (ansys) σ (modificacion de acoplamientos) 37.664 psi

Aplicar Par Mecánico a través de Nodo Maestro.

Torque aplicado al modelo 10 lb-in

Esfuerzo von misses (ansys) σ (presion tangencial) 37.664 psi

Esfuerzo von misses (ansys) σ (region rigida) 37.358 psi

De la tabla se observa una disminución en el valor de esfuerzo de Von Misses conla modificación a la forma de aplicar el par al modelo de elemento finito (por mediode elementos rígidos), por que esta idea también se descarta como una posibilidadde mejorar el modelo de elemento finito.

Verificar el contacto entre los componentes.Se verifico visualmente el contacto entre los componentes y se constato que lacampana solamente hacia contacto en una sola cara con el flotador, razón por lacual hay esta diferencia entre los resultados experimentales y los obtenidos por elMEF. Se volvió a repetir la prueba estática con un mejor contacto dando lossiguientes resultados.

y = 3.7233x + 0.7228

y = 4.1284x + 0.1917

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 10 20 30 40 50Par Torsional (lb-in)

Esfu

erzo

de

Von

Mis

ses

(psi

)

Modelo Numerico Muestras experimentalesAproximacion lineal del modelo numerico Aproximacion lineal de las muestras experimentales

De la grafica se puede observar que existe una relación entre el esfuerzo numéricoy el experimental de: σexperimental=1.1σnumerico

Par Torsional Vs. Esfuerzo de Von Misses (prueba estática)

Motor

Banda y polea

Cubierta Flecha

Rodamientos

Par torsional(Frenado)

Ensamblecanasta

Campana

FlotadorEmbraguefijo

Hub

Par torsional(Vel. angular cte.)

Montaje parael Crio

(Naylamid)

FlechaGalgas

CompactRio(9002)

Análisis y resultados de la prueba en Centrifugado.

Análisis y resultados de la prueba en Centrifugado.Par Torsional en la Flecha (lb-in)

Esfuerzo de Von Misses en el Flotador (psi)

y = 14.357x - 43.08

y = -10.924x + 2.9915

y = 3.7233x + 0.7228y = -3.7233x + 0.7228

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30Par Torsional (lb-in)

Esfu

erzo

de

Von

Mis

ses

(psi

)

Muestras experimentales (Etapa de Acel. y Vel cte.) Muestras experimentales (Etapa de Frenado)Modelo Numerico Modelo NumericoAproximacion lineal de las muestras experimentales (Etapa de Acel. y Vel cte.) Aproximacion lineal de las muestras experimentales (Etapa de Frenado)Aproximacion lineal del modelo numerico Aproximacion lineal del modelo numerico

Análisis y resultados de la prueba en Centrifugado.

Par Torsional Vs. Esfuerzo de Von Misses (prueba dinámica sin carga)

Análisis y resultados de la prueba en Centrifugado.

y = 12.841x - 32.598

y = -10.612x + 24.995

y = -3.7233x + 0.7228y = 3.7233x + 0.7228

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

-240 -220 -200 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40Par Torsional (lb-in)

Esfu

erzo

de

Von

Mis

ses

(psi

)

Muestras experimentales (Etapa de Acel. Y Vel. cte.) Muestras experimentales (Etapa de Frenado)Modelo Numerico Modelo NumericoAproximacion lineal de las muestras experimentales (Etapa de Acel. Y Vel. cte.) Aproximacion lineal de las muestras experimentales (Etapa de Frenado)Aproximacion lineal del modelo numerico Aproximacion lineal del modelo numerico

Par Torsional Vs. Esfuerzo de Von Misses (prueba dinámica con carga)

PARAMETRO ETAPA DE ACELERACION CTE.

ETAPA DE VELOCIDAD CTE.

ETAPA DE FRENADO

Aproximación lineal sin carga de ropa húmeda y=14.36x-43.08 y=14.36x-43.08 y=-10.92x+2.99

Aproximación lineal MEF y=3.72x+0.72 y=3.72x+0.72 y=-3.72x+0.72

Factor de correlación σVMexp=3.86σVMnum σVMexp=3.86σVMnum σVMexp=2.93σVMnum

Aproximación lineal con carga de ropa húmeda y=12.84x-32.60 y=12.84x-32.60 y=-10.61x+24.99

Aproximación lineal MEF y=3.72x+0.72 y=3.72x+0.72 y=-3.72x+0.72

Factor de correlación σVMexp=3.45σVMnum σVMexp=3.45σVMnum σVMexp=2.85σVMnum

Análisis y resultados de la prueba en Centrifugado.

Análisis y resultados de la prueba en Centrifugado.

Esfuerzo de Von Misses en el Flotador (psi)

y = 3.7233x + 0.7228

y = 4.2081x + 0.148

0

50

100

150

200

250

0 10 20 30 40 50 60

Par Torsional (lb-in)

Esf

uerz

o de

Von

Mis

ses

(psi

)

Modelo numerico

Modelo numericomodificado

Aproximacionlineal del modelonumerico

Aproximacionlineal del modelonumericomodificado

Análisis y resultados de la prueba en Centrifugado.

Par Torsional Vs. Esfuerzo de Von Misses (al 9.09% del área de contacto)

Análisis y resultados de la prueba en Centrifugado.

PARAMETRO ETAPA DE ACELERACION CTE.

ETAPA DE VELOCIDAD CTE.

ETAPA DE FRENADO

Aproximación lineal sin carga de ropa húmeda y=14.36x-43.08 y=14.36x-43.08 y=-10.92x+2.99

Aproximación lineal MEF modificado y=4.21x+0.15 y=4.21x+0.15 y=4.21x+0.15

Factor de correlación σVMexp=3.41σVMnum σVMexp=3.41σVMnum σVMexp=2.59σVMnum

Aproximación lineal con carga de ropa húmeda y=12.84x-32.60 y=12.84x-32.60 y=-10.61x+24.99

Aproximación lineal MEF modificado y=4.21x+0.15 y=4.21x+0.15 y=4.21x+0.15

Factor de correlación σVMexp=3.05σVMnum σVMexp=3.05σVMnum σVMexp=2.52σVMnum

1. De los ensayos experimentales se obtuvieron los espectros (tanto para elpar torsional como el del esfuerzo de Von Misses en el flotador) de lasdiferentes fases que conforman la etapa de centrifugado (aceleraciónconstante, velocidad constante y frenado), destacando la fase decentrifugado en la cual se presenta el par máximo de aproximadamente110 lb-in para el caso sin carga de ropa húmeda y de 210 lb-in para elcaso con carga de ropa húmeda, lo cual da marcha atrás a las 50 lb-in depar que se tenían contempladas en un principio dentro del modelonumérico y con ello poder elaborar futuros análisis con datos mascerteros.

2. En cuanto al grado de correlación entre los valores experimentales y losnuméricos durante las tres fases del centrifugado, fue demasiado alto, deaquí se concluye que para las condiciones contempladas en el MEF noson las más adecuadas para reproducir en una buena medida los eventossuscitados en la prueba dinámica.

Conclusiones:

Conclusiones:3. También durante la prueba de centrifugado se pudo destacar que

el contacto entre la campana y el flotador no se distribuye en lasocho superficies que prevé el diseño, ya que esto ocurremayormente en cuatro áreas. Aunado a este detalle se pudoobservar que la transmisión del par torsional entre estos elementosno es equitativo para los cuatro postes del flotador. Así también dela experimentación bajo consideraciones de carga estática se pudoconcluir que el MEF tiene un excelente grado de correlación entrelos acontecimientos numéricos y experimentales. Por estasrazones expuestas se puede inferir que durante la prueba encentrifugado el flotador no se encuentra en una posición fija,cambiando con ello la manera en que hacen contacto este con lacampana y por ende con el embrague, resultando con ello lasdiferencias observadas en cada uno de los postes instrumentados.

Conclusiones.

4. Por ultimo se descartaron varias hipótesis generadas en el proceso demejora del MEF, entre las que destacan el cambio del tipo deelemento utilizado para mallar los componentes (de sólido 45 a sólido185), ya que esta modificación no repercute en el resultado final.Forma de aplicar el par al sistema dentro del MEF, en donde se cambioel uso “presión tangencial” (elemento SURF 154) a el uso de “vigasrígidas” (elemento MPC 184), con lo cual no produjo mejora alguna parareducir el margen de correlación entre los datos numéricos yexperimentales.