TextoTribologíaCapítulo 2

20 Fundamentos de la friccin externa.

CAPTULO 2

FUNDAMENTOS DE LA FRICCIN EXTERNA

2.1 INTRODUCCIN El problema de la friccin ha sido objeto de estudio por siglos. Leonardo de Vinchi (1508) plantea por primera vez la relacin entre la fuerza de friccin y la carga normal a las superficies en contacto y Amontons (1699) formula las leyes clsicas de la friccin, sin embargo aun en nuestros das el mecanismo de la friccin es objeto de estudio. La friccin desde el punto de vista de la ingeniera se puede analizar como: Friccin como un proceso necesario para el movimiento o frenado de sistemas

mecnicos Friccin como un fenmeno indeseable durante el movimiento relativo de los

cuerpos en contacto La friccin como proceso necesario representa la posibilidad del movimiento sin patinaje o la posibilidad de detener el movimiento (frenado). Sobre este principio se basa el trabajo de las transmisiones por correas - poleas, ruedas de friccin, los frenos, los acoplamientos y embragues de friccin, las uniones por interferencia y roscados. En todos estos elementos de mquinas se exige alto y estable coeficiente de friccin. Desde tiempos muy remotos el hombre utiliz la friccin de manera beneficiosa. En el ao 400000 a.n.e., con la ayuda de la friccin se logr el fuego (Fig.2.1a). En el 6000 a.n.e con la ayuda de la friccin se comenz a triturar los alimentos (Figura 2.1 b). Con el pasar del tiempo, la propia evolucin hace que surjan instrumentos de trabajo tales como el hacha de piedra, siendo estos instrumentos construidos mediante procesos de friccin (Figura 2.1 b).

Fig. 2.1 Procesos de friccin.

(a) Obtencin del fuego (b) Trituracin de alimentos (c) Fabricacin de instrumentos

La friccin como proceso indeseable del movimiento se relaciona con las prdidas de energa en la unin de rozamiento. En este caso el coeficiente de friccin debe ser lo ms bajo posible,

TRIBOLOGA: Friccin, Desgaste y Lubricacin. 21

sobre este principio se analizan los cojinetes de deslizamiento, rodamientos, reductores y cajas de velocidad, los motores de combustin interna, y transportadores, etc. En la figura 2.2 se puede apreciar la tendencia seguida por el extraordinario proceso de los animales al trasladarse sobre la superficie terrestre, as como la del hombre al aprovechar los medios a su alcance durante los ltimos 10 000 aos.

Fig. 2.2 Variacin histrica del coeficiente de friccin.

Durante el transcurso de la historia, se han ido desarrollando nuevas ideas para reducir el efecto de la friccin y obtener un mayor aprovechamiento de las fuerzas aplicadas a los mecanismos, ampliando los conocimientos sobre el fenmeno de la friccin, estableciendo las del rozamiento para el estado de friccin seca, as como el papel de los lubricantes y su utilizacin para controlar la friccin y el desgaste. En realidad todos estos estudios y descubrimientos se realizaron de forma ms o menos casual o espordica, hasta que la revolucin industrial, con la invencin de la mquina de vapor, permiti que la industria y el transporte empleasen potencias y fuerzas muy superiores a las hasta entonces utilizadas, lo que a su vez represent alcanzar mayores velocidades y cargas, el consiguiente incremento de severidad de las condiciones de explotacin de los mecanismos. El desarrollo del ferrocarril de los factores decisivos que impulsaron la investigacin sobre cojinetes y lubricacin. Desde entonces ha continuado de forma creciente la labor investigadora sobre friccin, desgaste y lubricacin.

2.2 BREVE EVOLUCIN HISTRICA DE LOS ESTUDIOS SOBRE LA FRICCIN Los problemas relacionados con la friccin fueron utilizados beneficiosamente por el hombre primitivo al obtener fuego al frotar entre s pedazos de madera, valindose de la transformacin de la energa mecnica en calor. En los aos 3000-2800 a.n.e el hombre gan una gran batalla contra el efecto negativo de la friccin al introducir la rueda como elemento de mquina, logrando la sustitucin de la friccin de deslizamiento por la friccin de rodadura, lo cual represent un ahorro considerable de energa y menor desgaste. Las primeras investigaciones de que se tienen noticias corresponden al eminente cientfico Leonardo de Vinchi, el cual en el ao 1508 plante por primera vez la idea del coeficiente de friccin.


Despus de transcurridos casi dos siglos de los planteamientos de Leonardo de Vinchi el cientfico francs G. Amontons da a conocer en el ao 1699 los resultados de sus trabajos investigativos sobre la friccin en slidos no lubricados. Estableci que la fuerza de friccin es directamente proporcional a la carga normal a las superficies en contacto, la cual es considerada como la primera ley clsica de la friccin, lleg tambin a la conclusin de que la fuerza de friccin es independiente del rea geomtrica de las superficies en contacto, siendo esta la segunda ley clsica de la friccin. En el ao 1700 el cientfico B. de la Hire establece un modelo de la friccin segn el cual la friccin se debe a la rugosidad superficial de los cuerpos en contacto. Unos aos ms tarde (1734) surge una nueva concepcin de la naturaleza de la friccin, se plantea por el ingls Desaguliers la teora molecular, esta teora se basa en la atraccin molecular de los cuerpos. Siendo desarrollada posteriormente por los Ingleses W. Hardy (1919) y Tomlinson (1929) y por el cientfico sovitico Deriagin (1934). A finales del siglo XVIII el sabido francs C. Coulumb realiza nuevos aportes a la teora sobre la friccin, en 1781 establece la independencia de la fuerza de friccin de la velocidad de deslizamiento (tercera ley clsica de la friccin) y la dependencia de la fuerza de friccin de las caractersticas de los materiales de los cuerpos en contacto (cuarta Ley clsica de la friccin). Consider que la naturaleza de la friccin tenia un carcter dual, o sea la friccin se debe a la fuerza de adhesin entre los cuerpos y a la fuerza condicionada a la rugosidad superficial de los cuerpos. Basndose en los trabajos de Amontons y en sus resultados logra expresar matemticamente la primera ley de la friccin.

nadhf FfAF += . (2.1)

donde: Ff - fuerza de friccin Aadh - componente adhesiva de la fuerza de friccin Fn - carga normal a las superficies de rozamiento f - coeficiente de friccin Debido a los acabados superficiales tan burdos que se lograban en esa poca la componente adhesiva se desprecia llegando hasta nuestros das la siguiente expresin

nf FfF = (2.2)

Los ingleses F. Bowden y D. Tabor [4] en el ao 1939 dan a conocer la teora adhesivo-deformacional de la friccin, consideran la fuerza de friccin como el resultado conjunto de la fuerza necesaria para cizallar las "soldaduras puntuales formadas debido a la adhesin entre los cuerpos y la fuerza necesaria para producir el "flujo plstico" de las capas superficiales de los cuerpos comprimidos entre s, y establecen la siguiente expresin matemtica para la friccin seca.

( )[ ]psf SSAF += 1 (2.3) donde: A- rea de contacto real Ss - resistencia a cortante de las uniones adhesivas Sp - resistencia al movimiento o desplazamiento de las capas superficiales deformadas - parte de la superficie de contacto en la cual se produce la rotura de la unin adhesiva El primer trmino de la expresin (2.3) representa la componente adhesiva de la friccin y el segundo trmino la componente deformacional.


Los ingleses Ernest y Marchant en el ao 1940 tambin plantean la teora de acuerdo a la cual la friccin esta condicionada a la adhesin y la rugosidad superficial, expresando la misma matemticamente de la siguiente forma:

+= tgHB

f cort (2.4) donde: cort - resistencia media a cortante del rea real de contacto. HB - dureza del material ms blando - ngulo medio de las asperezas En el ao 1936 el cientfico sovitico I.V. Kragelski da a conocer su teora mecnico - molecular de la friccin. Este considera la friccin como el resultado combinado de la adhesin molecular entre las superficies de rozamiento y el engranaje de las asperezas y deformaciones de las capas superficiales de los cuerpos en contacto, estableciendo la siguiente ley deformacional de la friccin.

RhK

Pf

r

++= 0 (2.5)

donde: 0 - resistencia a cortante de la unin friccional Pr - presin real del contacto - constante friccional que caracteriza el reforzamiento de la unin adhesiva con la carga h - profundidad de la penetracin R- radio de curvatura de la irregularidad en contacto La componente molecular est condicionada a la adhesin en los puntos de las superficies en contacto y la mecnica depende de la penetracin de las irregularidades de las superficies comprimidas. El profesor alemn G. Fleischer basndose en la teora mecnico - molecular de la friccin dio a conocer su mtodo energtico para la determinacin de la friccin, e introduce el concepto de "densidad de energa de friccin"

f

ff V

We = (2.6)

donde: ef - energa de friccin Vf - volumen del material sometido a la friccin Wf - trabajo de friccin Conociendo el trabajo de friccin (Wf ) se tiene:

f

fNf V

SFfe

= (2.7)

donde: SF - recorrido de friccin


2.3 NATURALEZA DE LA FRICCIN La friccin externa en los slidos es un fenmeno complejo que depende de los procesos que ocurren en las reas reales de contacto entre los cuerpos y en las finas capas superficiales durante el deslizamiento tangencial de estos. El hecho de que las superficies no sean perfectamente lisas hace que durante el contacto gran parte de sus irregularidades no estn en contacto. El rea real de contacto es pues mucho menor que el rea aparente. Este hecho, precisamente fue lo que hizo afirmar a Coulomb que la fuerza de friccin era independiente del rea de contacto entre los dos cuerpos. No todos los procesos de deformacin de las capas superficiales pueden ser llamado friccin externa. Esta slo comprende las deformaciones debidas al desplazamiento tangencial relativo de los cuerpos en contacto, siendo las deformaciones de los cuerpos, por debajo de las capas superficiales despreciables. No tiene nada que ver con la rotura o prdida de integridad del material. Existen lmites cuantificables para ello, que estudiaremos posteriormente. Atomos y molculas del medio son absorbidos por las superficies de los cuerpos y forman pelculas de compuestos qumicos en ellas. En el ms simple de los casos, estas pelculas son xidos. Tambin en presencia de aire se forma una capa de gases o vapor de agua absorbidos. Tambin, para disminuir cuando es aconsejable, la interaccin de los cuerpos, se utiliza la lubricacin. Es lgico pensar, pues, que la interaccin de dos cuerpos durante la friccin, se realiza entre esas capas de recubrimiento, en vez de entre los propios cuerpos. En la actualidad la teora mecnico molecular de la friccin ha encontrado una amplia aplicacin en la explicacin de los fenmenos que tienen lugar durante la interaccin de los slidos en contacto. La friccin tiene un carcter discreto y se produce debido al contacto de las irregularidades superficiales (Fig. 2.3 a).

Fig. 2.3 - (a) Contacto de las asperezas, (b) Contacto deformacional, (c) Contacto adhesivo.

La fuerza de friccin entre los dos cuerpos se determina segn:

f a

a

n

F F==

1

(2.8)

donde: Fa - Fuerza de friccin que se produce en dos asperezas en contacto. n - Nmero de asperezas en contacto. Se reconoce que durante el contacto de las irregularidades superficiales existen dos causas que se oponen al movimiento (consumo de energa) y que definen las componentes de la friccin:


Componente mecnica (deformacional) Por la accin de la carga exterior y como resultado de la diferencia de las propiedades fsico-mecnico de las superficies en contacto y de las caractersticas de la microgeometra superficial se produce la penetracin de las asperezas ms rgida en la superficie del cuerpo menos rgido. La magnitud de la componente mecnica depende de la penetracin (deformaciones elsticas, plsticas y microcorte) y se considera como un problema microvolumtrico (Fig. 2.2 b). La penetracin de las asperezas del cuerpo de mayor dureza en el cuerpo ms blando se debe a tres causas fundamentales:

- La diferencia entre las propiedades mecnicas de ambos cuerpos - Las variaciones de estas propiedades en las diferentes zonas de contacto de ambos

cuerpos - La diferencia en el contorno de ambos cuerpos.

Componente adhesiva (molecular) Producto del contacto ntimo en las asperezas superficiales estn presentes fuerzas de cohesin molecular, y se producen fenmenos de difusin y solucin. Lo que lleva a la formacin de una unin adhesiva (microsoldaduras). La resistencia y tipo de la unin adhesiva depende del rea real de contacto; de la compatibilidad metalrgica de los materiales y de las condiciones del medio. Este fenmeno se considera como un problema superficial (Fig.2.2 c). La fuerza total de friccin externa es igual a la suma de las dos componentes: la mecnica (Fmec) y la molecular (Fmol).

FFF molmecF += (2.9) En los puntos en contacto surgen grandes fuerzas moleculares que provocan fenmenos difusivos que dan lugar a la unin adhesiva.

La teora mecnico molecular se conoce tambin como teora deformacional adhesiva. Una condicin bsica para que exista la friccin externa es que la resistencia mecnica de las capas superficiales sea menor que la resistencia de las capas internas; debe existir un gradiente positivo de las propiedades mecnicas hacia el interior del cuerpo.

2.4 DEFINICIN Y TIPOS DE FRICCIN Diferentes son los trminos que se emplean para definir la interaccin de los cuerpos en contacto. "Friccin", significa accin y efecto de friccionar o rozar o lo que es lo mismo desplazar con una determinada fuerza un objeto sobre otro. El trmino "rozamiento" se define como la fuerza que se opone al movimiento relativo de dos cuerpos siempre que exista el movimiento o cuando existan otras fuerzas que tienden a producir el movimiento. En la actualidad desde el punto de vista de ingeniera la friccin se puede definir desde dos puntos de vista:

ENFOQUE ENERGTICO: La friccin es la transformacin de la energa mecnica al inicio, durante y fin del movimiento relativo de dos cuerpos en contacto.

ENFOQUE MECNICO: La friccin es la fuerza que se opone al movimiento relativo de dos cuerpos en contacto siempre que exista el movimiento o cuando existen fuerzas que tienden a producir el movimiento. Segn las condiciones del contacto la friccin se clasifica en:

FRICCIN ESTTICA: Cuando no existe movimiento o ste es inminente. Es la prdida de energa mecnica al inicio y final del movimiento tangencial relativo. Esta est presente en uniones por interferencia, roscadas, transmisiones por friccin, frenos, acoplamientos de friccin, etc.


FRICCIN DINMICA: Prdida de energa mecnica durante el movimiento relativo tangencial o normal. Esta es caracterstica de los cojinetes, sellos, transmisiones dentadas, mquinas de pistn, guas, etc.

FRICCIN DE CHOQUE: Prdida de energa mecnica durante el inicio y fin del movimiento relativo normal. Se conoce desde los cursos de Fsica y Mecnica Terica, que las fuerzas de friccin no son conservativas, esto es, la magnitud del trabajo por ellas realizado, depende de la distancia sobre la cual los slidos son desplazados. En dependencia del desplazamiento tangencial de los cuerpos se distinguen: La fuerza parcial de friccin esttica: Es la fuerza de resistencia al movimiento en el

caso de pequeos desplazamientos reversibles, denominados desplazamientos preliminares. Esta fuerza ocurre en uniones tribolgicas en las cuales no ocurren deslizamientos continuos bajo la accin de las fuerzas aplicadas.

Fuerza total de friccin esttica: No es ms que la magnitud de la fuerza parcial

correspondiente al mximo desplazamiento preliminar. La fuerza de friccin cintica o de deslizamiento: Fuerza cuyo valor no depende de la

magnitud del desplazamiento de los cuerpos en contacto. La friccin externa tiene como consecuencia la deformacin intensiva del cuerpo ms suave por la penetracin de las asperezas de la superficie del cuerpo ms duro.

En funcin del carcter del movimiento (cinemtica del contacto) la friccin se clasifica en:

FRICCIN POR DESLIZAMIENTO: Friccin durante el movimiento relativo de dos cuerpos en los cuales la velocidad de los cuerpos en los puntos de contacto es diferente en magnitud y sentido o en magnitud o en sentido (Tabla 2.1). Este tipo de friccin es caracterstico de los cojinetes de deslizamiento, guas, frenos, transmisiones por friccin, etc.

Tabla 2.1 - Tipos de movimiento y velocidades de los componentes de un tribosistema bajo friccin por deslizamiento.

Velocidades u, v y deslizamiento s

Tipo de Movimiento Esquema u1 u2 21 uuvr = 21 uuvs +=

+

=21

212uuuus

Deslizamiento Simple u1 > 0 u2 = 0 vr = u1 vs = u1 s = 2

Deslizamiento u1 > 0 u2 < 0 vr > u1 vs < u1 2 < s <

Deslizamiento Puro u1 > 0 u2 = -u1 vr = 2u1 vs = 0 s =

Deslizamiento u1 > 0 u2 < 0 vr > u2 vs < u2 - < s < -2

Deslizamiento Simple u1 = 0 u2 < 0 vr = u2 vs = u2 s = -2

Nota: U1 y U2 Velocidad de los cuerpos 1 y 2; Vr Velocidad relativa; S deslizamiento


FRICCIN POR RODADURA: Friccin durante el movimiento relativo de dos cuerpos en los cuales la velocidad en los puntos de contacto son iguales en magnitud y direccin (Fig. 2.4). La fuerza de friccin por rodadura es aproximadamente 10 veces menor que la fuerza de friccin por deslizamiento. De la figura 2.4 b se tiene que por delante de la esfera, en el punto E, se forma un ahondamiento (compresin del material) y por detrs de sta, en el punto A, el material se estira (tracciona), provocando que la esfera realice un trabajo deformacional.

Fig. 2.4 Esfera rodante.

a) - Esfera por canal; b) Esfera por superficie plana Cuando la friccin por rodadura ocurre para el contacto de cuerpos duros, la deformacin de las capas superficiales no es muy grande y las finas capas de xidos que estn presentes en la zona de contacto no se someten a considerables deterioros. Es por ello que no tiene lugar el deslizamiento entre las superficies de los elementos del par y este ocurre tan solo entre las partculas de xidos que se desgastan. Esto en gran medida explica el efecto del deslizamiento sobre el desgaste de cuerpos rodantes (Tabla 2.2). El deslizamiento recproco de las superficies rodantes se puede explicar mediante el desplazamiento de la esfera por la canal (Fig. 2.4 a). La circunferencia central de la esfera (AB) se desplaza por el centro de la canal y la CD, paralela a sta, por el borde de la misma. En una vuelta de la esfera la circunferencia AB recorre un mayor camino de friccin que la CD, es precisamente esta diferencia la que condiciona el deslizamiento entre las superficies de friccin.

Tabla 2.2 Tipos de movimiento y velocidades de los componentes de un tribosistema bajo friccin por rodadura y deslizamiento.

Velocidades u, v y deslizamiento s Tipo de Movimiento Esquema u1 u2 21 uuvr = 21 uuvs +=

+

=21

212uuuus

Deslizamiento Simple u1 > 0 u2 = 0 vr = u1 vs = u1 s = 2

Rodadura y Deslizamiento

u1 > 0 u2 > 0 vr < u1 vs > u1 0 < s < 2

Rodadura Pura u1 > 0 u2 = u1 vr = 0 vs = 2u1 s = 0

Rodadura y Deslizamiento

u1 > 0 u2 > 0 vr < u2 vs > u2 -2 < s < 0

Rodadura Simple u1 = 0 u2 > 0 vr = u2 vs = u2 s = -2

Nota: U1 y U2 Velocidad de los cuerpos 1 y 2; Vr Velocidad relativa; S deslizamiento En las superficies de los cuerpos de rodadura surgen fuerzas de agarramiento que no influyen de manera significativa sobre la fuerza de friccin por rodadura, pero que tienen con marcada influencia sobre la intensidad del desgaste.


Para superficies elaboradas, segn datos experimentales, la fuerza de friccin por rodadura se puede calcular como:

m

nN

FR DFKF = (2.10)

donde: K constante que depende del material de los elementos del par FN carga normal sobre la esfera D dimetro de la esfera n = 1.7 1.85; m = 1.5 1.6 El valor de la fuerza de friccin por rodadura de cuerpos que estn sometidos a altas velocidades depende de la viscosidad del lubricante y puede llegar a alcanzar altos valores. En el caso de los rodamientos, sobre el valor de la fuerza de friccin tienen una marcada influencia la viscosidad del lubricante, la friccin en los separadores del rodamiento, las dimensiones de las esferas, el valor de la rugosidad, etc. El coeficiente de El coeficiente de friccin en cojinetes de rodamientos ser:

dF

MN

=2 (2.11)

donde: M Momento de friccin [Nmm] FN Fuerza normal [N] d dimetro interior del rodamiento [mm] A pesar de que en cojinetes de rodamiento el coeficiente de friccin depende del tipo de rodamiento, la carga, el rgimen de lubricacin, la velocidad, etctera, los coeficientes de friccin aproximados para varios tipos de rodamiento se dan en la tabla 2.3.

Tabla 2.3. Coeficiente de friccin para diferentes tipos de rodamientos. Tipo de rodamiento Coeficiente de friccin Rodamientos rgidos de bolas 0.0010 0.0015 Rodamientos de bola a contacto angular 0.0012 0.0018 Rodamientos oscilantes de bolas 0.0080 0.0012 Rodamientos de rodillos cilndricos 0.0010 0.0015 Rodamientos de agujas 0.002 0.003 Rodamientos de rodillos cnicos 0.0017 0.0025 Rodamientos de rodillos esfricos 0.0020 0.0025 Rodamientos axiales de bolas 0.0010 0.0015 Rodamientos axiales de rodillos 0.0020 0.0030

El momento de friccin en rodamientos se puede calcular como:

dFM RRF = 5.0 dFM aaF = 5.0 (2.12) donde: R y a Coeficiente de friccin para cargas radiales y axiales Fa y FR Fuerzas axiales y radiales en el rodamiento


En dependencia de la presencia o no del lubricante en el sistema tribolgico aparecen dos estados de friccin:

FRICCIN SECA: Es la friccin entre dos slidos, cuya interfase no est positivamente afectada por ningn tipo de lubricacin; aunque las superficies pueden estar contaminadas. La friccin seca se utiliza por lo general cuando ella es un proceso necesario para el movimiento o frenado. Para este estado el coeficiente de friccin varia en el rango de 0.1 0.8 Desde el punto de vista de ingeniera la friccin seca tiene importancia para uniones mecnicas que trabajan bajo el principio de la friccin, como son: transmisiones por ruedas de friccin, transmisiones por correa, embragues y acoplamientos de friccin, frenos, uniones roscadas, guas, etctera. Tambin existen casos donde uniones como cojinetes de deslizamiento, articulaciones, guas, etc., deben trabajar en un estado de friccin seca producto de que las altas temperaturas de trabajo no permiten el uso de lubricantes o para evitar que los lubricantes contaminen el producto fabril. El sistema tribolgico durante la friccin seca esta constituido por 3 elementos (Fig. 2.5): Los cuerpos slidos 1 y 2 y el contaminante 3.

Fig. 2.5 - Modelo fsico de la friccin seca.

Dentro del estado de friccin no lubricado aparece la friccin entre superficies limpias, es decir la friccin ocurre sin la presencia de capas de xidos. En la prctica industrial este estado es poco comn. El coeficiente de friccin en este estado resulta superior a 0.8, llegando a alcanzar valores tan altos como 10. El contaminante puede ser: Capas de xido; capas de gases absorbidos; pelcula de lubricante; en la Fig.2.6 se muestra de forma esquemtica las capas contaminantes en una superficie metlica.

Fig. 2.6 - Representacin grfica de una superficie contaminada.

1 Capa absorbida; 2 Capa fuertemente deformada con desplazamiento de la red cristalina; 3 Granos fuertemente deformados por la accin de la carga; 4 Estructura base del metal


La capa de xido se produce por la reaccin del metal con el oxgeno del aire; la formacin de la misma es rpida y depende de la temperatura; as en menos de 5 min. a temperatura ambiente se forman capas de espesor de 100A. Las propiedades de las capas de xido difieren de las propiedades del metal base y su resistencia mecnica depende de la relacin de dureza xido/metal y del espesor de la misma. La capa de gas absorbido presenta como principal constituyente molecular de vapor de agua y de oxgeno proveniente del medio. La pelcula de lubricante se forma debido a la absorcin de molculas de lubricantes que se encuentran en suspensin en la atmsfera; producto del lubricante utilizado durante la elaboracin mecnica de la pieza o grasa natural proveniente de las manos de los operarios. La presencia de estas capas contaminantes asegura la existencia de la friccin externa; la cual est condicionada a un gradiente positivo de las propiedades mecnicas hacia el interior del cuerpo. Los no-metales presentan diferencias marcadas con relacin a los metales. El problema de la contaminacin de las capas superficiales de los no-metales es menos importante, no se produce el fenmeno de la oxidacin y las diferentes pelculas absorbidas que puede en ciertas condiciones tener un efecto significante, por lo general no altera las propiedades friccionantes de los no-metales. Durante la friccin seca de un par de rozamiento constituido por no - metales el coeficiente de friccin cinemtico varia f = 0,4 - 0.3, mientras que el coeficiente esttico fo = 0,6 - 0,4. El dao de las superficies es mucho menor que en los pares metlicos. Cuando el par de rozamiento est constituido por un no-metal y un metal, la friccin tiende a comportarse como la de los no-metales debido a que las partculas de desgaste del no-metal (material ms blando) tienden a formar una capa en la superficie del metal al alojarse en los valles de las rugosidades. Se puede afirmar que los no-metales en general cumplen las cuatro leyes bsicas de la friccin. Para el caso de la friccin seca se establecen en la actualidad cuatro leyes bsicas:

Primera Ley: La resistencia friccional es proporcional al rea real de contacto; la cual es funcin de la carga normal, las propiedades de los materiales y la rugosidad superficial. Esta constituye del 0.01 al 0.1% del rea nominal de contacto.

Segunda Ley: La resistencia friccional es independiente del rea geomtrica de los cuerpos en contacto.

Tercera Ley: La resistencia friccional es dependiente de la velocidad de deslizamiento, se reconoce sin embargo que en un amplio diapasn de velocidad la friccin casi no varia.

Cuarta Ley: La resistencia friccional depende de la naturaleza de los materiales en contacto. Lo que quiere decir que un cambio de materiales en el sistema tribolgico representa una variacin significativa del coeficiente de friccin, an cuando el resto de los parmetros permanezcan invariables.

La expresin matemtica de las leyes elementales de la friccin segn diferentes autores es:

5.0

r

s

P=f

+

RhK Kragelski (2.13)

[ ]+ )1(P1=f

rs Bowden-Tabor (2.14)


+ tgHB

=f s Ernest-Mercherd (2.15)

Donde los trminos de la izquierda definen la componente adhesiva y los de la derecha la componente mecnica de la friccin. La primera y segunda ley tienen una marcada influencia sobre la componente mecnica de la fuerza de friccin. La tercera ley establece la dependencia de la friccin con la velocidad de deslizamiento, y justifica la existencia de dos coeficientes de friccin: esttico y dinmico. La cuarta ley est ms relacionada con la componente molecular.

FRICCIN LUBRICADA: Uno de los mtodos ms efectivo y simple para disminuir la friccin es la aplicacin de sustancias lubricantes en los sistemas tribotcnicos. En dependencia del estado fsico de los lubricantes existen diferentes tipos de lubricacin: gaseosa, lquida, semislida, y slida. En la prctica de ingeniera la lubricacin lquida es la ms utilizada; quedando la aplicacin de los otros tipos en los casos en que producto de la temperatura, condiciones del medio, exigencias tcnicas no permiten el uso de los aceites lubricantes. En la conferencia se tratara los diferentes regmenes de lubricacin durante la friccin lubricada. En dependencia de las condiciones de trabajo; propiedades del lubricante y parmetros constructivos de los sistemas tribolgicos se presentan diferentes regmenes de lubricacin; los cuales se acostumbra a representar a travs de la conocida "curva de Stribek" (Fig.2.7) y del nmero adimensional de Sommerfeld ( = w/p).

Fig. 2.7 - Curva de Stribek.

De la curva de Stribek se aprecia la existencia de 4 regmenes de lubricacin: 1. Friccin de capa Lmite 2. Friccin mixta 3. Friccin elastohidrodinmica 4. Friccin hidrodinmica

La transicin de un rgimen de lubricacin a otro est en funcin de las condiciones de trabajo (w - velocidad; P - presin) y de la viscosidad del lubricante.


De acuerdo a la teora elastohidrodinmica de la friccin, la existencia de los diferentes regmenes de lubricacin en las uniones tribolgicas se evala a travs del coeficiente de pelcula lubricante .

+

=21 RaRa

ho (2.16)

Si > 4 Lubricacin hidrodinmica o elastohidrodinmica. Si 1< < 4 Lubricacin mixta o parcialmente elastohidrodinmica. Si < 1 Lubricacin lmite.

El espesor de pelcula (ho) se determina de acuerdo al tipo de sistema tribolgico (cojinete, rueda dentada, etc.) y est en dependencia de la viscosidad del aceite; carga y velocidad de trabajo y dimensiones geomtricas de la unin tribolgica.

Friccin de capa lmite: La friccin de capa lmite se define como un rgimen en el cual la friccin entre las superficies de rozamiento es determinada por las propiedades de las capas superficiales de los cuerpos en contacto y por las propiedades fsico-qumicas del lubricante y su capacidad de ser absorbidas por las superficies de rozamiento y reaccionar qumicamente con estas (Fig. 2,8).

Fig.2.8 - Modelo fsico de la friccin lmite

Para lograr una efectiva lubricacin, las capas lmites formadas en las superficies deben tener las siguientes propiedades: Alta velocidad de formacin, superando la velocidad de destruccin, alta resistencia a la compresin, baja resistencia al cizallamiento, fuerte unin con la superficie metlica y alta resistencia trmica y al desgaste. La interaccin slido-lubricante que provoca la formacin de la capa lmite se debe a tres mecanismos diferentes:

1. Adsorcin fsica: Las molculas de lubricantes se adhieren a la superficie producto de las fuerzas superficiales de Van de Vaals; debido a la presencia en el lubricante de molculas polares las cuales forman una capa dura sobre la superficie del cuerpo. Estas capas duras, adaptadas a la superficie; de molculas unidas unas con otras, es capaz de evitar la penetracin de las asperezas y al mismo tiempo el contacto metal-metal. La lubricacin lmite que depende de la adsorcin fsica es adecuada solo para bajas temperaturas volumtricas y en condiciones de poca generacin de calor producto de la friccin o sea para bajas cargas y velocidades.

2. Adsorcin qumica. La qumi-absorcin se produce cuando las molculas del lubricante se unen a las capas superficiales por uniones qumicas; la adsorcin qumica se produce por la reaccin qumica; por ejemplo; del cido esterico reacciona con el xido de hierro en presencia del agua y forma un nuevo compuesto (jabn metlico). Las capas lmites qumi-absorbidas garantizan la lubricacin en condiciones moderadas de carga, temperatura y velocidad de deslizamiento.


3. Reaccin qumica. Para condiciones de trabajo pesadas; altas cargas, velocidades y temperatura; es necesario que la capa lmite se forme producto de reacciones qumicas, en estos casos el lubricante debe contener en sus molculas tomos de azufre, cloro, fsforo. Tales tomos forman capas de sales metlicas de baja resistencia al cizallamiento, pero de alta temperatura de fusin. A diferencia del coeficiente de friccin hidrodinmica, el cual se puede determinar analticamente a partir de la teora hidrodinmica y la elastohidrodinmica, el coeficiente de fric-cin durante la lubricacin lmite no se puede calcular y se determina experimentalmente. Bowden y Tabor propusieron el siguiente modelo de la lubricacin lmite.

Ff = Ar [ 1 + (1 - )mb] (2.17)

Donde 1 y mb son la resistencia a cortante de la capa lubricante lmite y del material ms blando, respectivamente; y es la porcin de Ar cubierta por la capa lubricante lmite. Si = 1, la fuerza de friccin slo depende de la resistencia a cortante de la capa lmite y por lo tanto se obtienen bajos valores del coeficiente de friccin.

La magnitud de 1p depende de la composicin y estructura de la capa lmite, mientras que mb depende de las propiedades superficiales del cuerpo slido. La magnitud del coeficiente de friccin durante la lubricacin lmite, segn Rosemberg, es de f = 0.05 - 0.40. Se reconoce en general que la lubricacin lmite en la prctica de ingeniera se presenta de forma absoluta en pocas ocasiones.

Friccin mixta: La friccin mixta es un fenmeno complejo que se produce cuando al mismo tiempo existen dos o ms estados de friccin. En dependencia del grado de acabado superficial (rugosidad) y de la penetracin de las superficies en diferentes zonas del contacto se puede producir la friccin seca, lmite e hidrodinmica (Fig. 2.9).

Fig. 2.9 - Modelo fsico de la friccin mixta.

La fuerza hidrodinmica surge debido a la formacin de microcuas en los valles de la rugosidad superficial. En la zona de contacto de las asperezas surge la friccin seca y alrededor de la zona de friccin seca surge la friccin lmite producto de la adsorcin molecular. Debido al carcter complejo de la lubricacin mixta, los valores del coeficiente de friccin se determinan de forma experimental para cada tipo de unin de rozamiento. Una simplificacin de la friccin lmite es considerar que solamente se produce friccin seca y friccin hidrodinmica, basndose en ello Vogelpohl; de acuerdo a la teora hidrodinmica clsica; propuso la siguiente expresin para el coeficiente de friccin mixto.


n

hidhid

n

hido F

ffFfff +

= 1sec (2.18)

Si en la unin de rozamiento no se produce contacto entre las asperezas la fuerza normal (Fn) es soportada por la fuerza hidrodinmica (Fhid) o sea Fhid = Fn y en este caso f = fhid; por el contrario si prevalece el contacto de las asperezas Fhid/Fn


La tendencia hacia el efecto hidrodinmico de las superficies curvas se incrementa con el aumento del radio de curvatura reducido. El contacto de superficies curvas interno es ms favorable para la formacin de la cua hidrodinmica. En la magnitud del espesor de pelcula tiene una gran incidencia: la viscosidad a presin atmosfrica; el piezo-coeficiente de viscosidad; la velocidad sumaria de rodamiento y el radio de curvatura. El mdulo de elasticidad y la carga poco influyen sobre el espesor de pelcula. La determinacin del coeficiente de friccin durante la lubricacin hidrodinmica se da a continuacin:

Superficies planas

( )

1

21

mx =

+=

min

minn

min

hhK

BhK

KKl

hBSf

(2.19)

Contacto lineal exterior (rodamiento + deslizamiento)

=

rod

desl

VVSf 238,115.0 (2,20)

Contacto lineal interior (deslizamiento)

RSeneS

rRRf

22

= (2.21)

Contacto lineal (rodadura + deslizamiento) segn la teora elastohidrodinmica

12.02.005.00

02.0 lg10065,0

roddesl

Iz

VVE

RHBPf

+

= (2.22)

Esta expresin es vlida para P 400 Kg/cm, Vr 1 m/s y > 0.5 cm.

2.5 FACTORES QUE AFECTAN LA FRICCIN SECA

La determinacin cuantitativa de la friccin ha sido un aspecto de inters en diferentes pocas ya que ello permitira incorporar a los clculos del diseo el efecto de la friccin. Sin embargo esto es un problema no resuelto en la actualidad, debido fundamentalmente a que sobre la magnitud del coeficiente de friccin influye una serie de factores que en la mayora de los casos constituye un sistema dependiente. Los factores que influyen en la magnitud del coeficiente de friccin se pueden resumir en tres grupos:

Factores relacionados con el rgimen de trabajo Carga (presin) Velocidad de deslizamiento Temperatura Acabado superficial


Factores relacionados con la naturaleza del metal tribotcnico. Propiedades mecnicas Propiedades fsicas Constitucin y estructura Composicin qumica

Factores relacionados con el medio Corrosin Abrasin Lubricacin

En la actualidad se han desarrollados mtodos que permiten calcular el coeficiente de friccin seca y valorar la influencia de los diferentes que lo afecta con cierto grado de exactitud; cabe mencionar los trabajos desarrollados por I. V. Kragelsky y G. Fleischer. De acuerdo a la teora mecnico - molecular desarrollada por Kragelsky y sus colaboradores la magnitud del coeficiente de friccin seca se puede determinar de acuerdo al estado tensional (deformacional) de la superficie segn las siguientes expresiones:

Contacto elstico no saturado

Este tipo de contacto se produce cuando nc < na o Ic EP 5.006.0

donde EI se determina como: 21 =

EE I

La magnitud del coeficiente de friccin se determina segn la expresin 2.23.

( ) ( )

2.0

2.024.02.0

4.08.02.0

8.02 124,014.2E

PEP

f cEc

o ++

= (2.23)

donde: E - coeficiente de histrisis reducido que depende de la configuracin geomtrica del penetrador; para un segmento esfrico E = 0,6. - coeficiente de prdidas por histrisis. De la formula 2.23 los factores que caracterizan el coeficiente de friccin son:

Factores dependientes de la tecnologa de elaboracin

=

1

mx

br

R

Materiales de la unin de rozamiento ( ),,E Condiciones de explotacin ( ) ,, ocP Forma constructiva ( )cn PP ,


La influencia de cada uno de los factores sobre f se muestra a continuacin.

Fig. 2.11 - Variacin del coeficiente de friccin con el grupo de factores.

Los dos primeros trminos definen la componente adhesiva del coeficiente de friccin y el ltimo trmino de la derecha la componente mecnica. Para los materiales con alto mdulo de elasticidad (metales) la componente mecnica del coeficiente de friccin se puede despreciar. En estos casos, con el aumento de la presin de contorno y el coeficiente , el coeficiente de friccin disminuye, lo que es caracterstico del contacto elstico. Para los materiales con bajo mdulo de elasticidad (polmeros, goma, etc.) la componente adhesiva disminuye con el aumento de la presin, mientras que la componente mecnica aumenta, o sea, el coeficiente de friccin pasa por un mnimo. En el caso del acabado superficial existir un ptimo, valores mayores o menores producen un incremento de la friccin (Fig. 2.12)

Fig. 2.12 - Variacin de la friccin con la presin y el acabado superficial; la parte

izquierda define la componente Adhesiva; la de la derecha la componente mecnica.

Contacto elstico saturado Se presenta slo en materiales de bajo mdulo de elasticidad (polmeros, gomas etc.).

( ) 33.0233.033.033.066.033.0

66.02 124.011.2

++

=E

PEP

f cEc

o (2.24)


Fig. 2.13 - Variacin de f con la presin y la rugosidad.

Contacto plstico no saturado. Este tiene lugar cuando se cumple que: Pc < 6,2510-2HB. El valor del coeficiente de friccin se determina segn la expresin 2.25.

25.0

5,00 5,0

++= HB

PP

f cr

(2.25)

La influencia de cada uno de los factores sobre f se muestra en las figuras 2.14 y 2.15.

Fig. 2.14 - Comportamiento de f vs presin, rugosidad superficial, dureza y las constantes 0 y .

De la expresin 2.25 se concluye que el incremento de la dureza del material ms blando representa una disminucin del coeficiente de friccin. La variacin de la carga slo tiene influencia sobre la componente mecnica. As, durante las deformaciones plsticas el incremento de la carga representa un aumento de la friccin (Fig. 2.14 y 2.15) El acabado superficial slo influye en la componente mecnica; superficies ms burdas representan una friccin ms alta (Fig. 2.14 y 2.15).


Fig. 2.15. - Variacin del coeficiente de friccin en funcin de la carga y acabado

superficial durante la deformacin plstica.

Contacto plstico saturado

El contacto plstico saturado tiene lugar cuando se cumple que: Pc 6.25 10-2 HB. El coeficiente de friccin en este caso se determina como:

5.0

5,00 9,0

++= HB

PP

f cr

(2.26)

Contacto elstico-plstico Para los metales (alto E) la funcin f = tiene un extremo; la naturaleza de este extremo consiste en lo siguiente:

Para deformaciones elsticas f disminuye con el aumento de Pc y . Para deformaciones plsticas f aumenta con el aumento de Pc y .

Por lo tanto, durante la transicin de las deformaciones elsticas a las deformaciones plsticas el coeficiente de friccin tiene un mnimo (Fig. 2.16).

Fig. 2.16 Comportamiento de f para deformaciones elstico-psticas.

El valor de fmin se obtiene aproximadamente para: 4

2

5,7

= Ic E

HBP (2.27)

( )25.2

7,2I

c EPHB

= (2.28)


3

9,0

+ Iadhmin E

HBff (2.29)

Valores de : Material Bronce 0.04 Duraluminio 0.03 Acero templado 0.02 Polmeros 0.08 0.12 Caucho (gomas) 0.09 0.13

Valores de 0, y para friccin seca: Material 0 (MPa) Bronce 20 25 0.06 0.10 Acero 150 200 0.05 0.07 Polmeros 1 4 0.017 0.03

Para friccin lubricada: o 0.1 0.5 MPa y 0.04 0.10 El incremento de la temperatura de trabajo producto de la friccin produce una variacin de las propiedades de las capas superficiales de los cuerpos en contacto y del lubricante.

2.6 SELECCIN DEL COEFICIENTE DE FRICCIN

El clculo y seleccin del coeficiente de friccin est ntimamente relacionado, adems del estado de friccin, con los materiales que constituyen el par de rozamiento y con el tipo de unin mecnica (friccionante o mvil). De lo anterior se desprende que despus de definido el tipo de unin mecnica, es necesario seleccionar los materiales de la unin y como paso final definir el coeficiente de friccin. Una aclaracin necesaria es que los valores del coeficiente de friccin que se darn en el desarrollo del epgrafe, corresponden a valores medios, pues los verdaderos valores slo se pueden determinar por la va experimental en dependencia de las condiciones de explotacin.

El coeficiente de friccin esttico se define como la prdida de energa mecnica al inicio o fin del movimiento relativo de dos cuerpos o como la fuerza que se opone a las fuerzas que tienden a producir el movimiento. Hasta hace poco el coeficiente de friccin esttico se consideraba constante pero en la actualidad se admite su variacin con el tiempo de contacto. A continuacin se da una tabla con los valores del coeficiente de friccin esttico para la friccin de superficies secas y lubricadas en dependencia de los materiales que constituyen la unin.

Tabla 2.4 - Coeficiente de friccin esttico para contracuerpo de acero. Material base Friccin seca (fs) Friccin lubricada (fl)

Acero 0.6 0.8 0.16 Babbit base estao (Sn) 0.80 0.11 Babbit base plomo (Pb) 0.6 0.55 0.10 Bronce al aluminio (Al) 0.45 0.16 Bronce al estao (Sn) 0.36 0.16 Latn 0.35 0.19 Hierro fundido 0.40 0.21 Aleacin Cobre Plomo (Cu-Pb) 0.22 - Grafito 0.10 - Tefln 0.04 - Madera 0.2 - Goma 1-4 -


Tabla 2.5 - Coeficiente de friccin esttico para acero sobre acero con diferentes lubricantes.

Tipo de lubricante Friccin seca (fs) Friccin lubricada, (fl) Aceite mquina ligero 0.16 0.19 Aceite motor pesado 0.19 0.20 Aceite extrema presin 0.09 0.10 0.09 0.10 Aceite grafitado 0.13 0.15 cido oleico 0.08 0.08 Bencina 0.48 - Glicerina 0.20 - Alcohol 0.43 -

Tabla 2.6 - Coeficiente de friccin esttico para acero sobre materiales no metlicos.

Tipo de material no metlico Friccin seca (fs) Grafito 0.10 Tefln 0.04

Poliestireno 0.30 0.35 Madera 0.20 0.60

En dependencia de las condiciones de trabajo en las uniones por interferencia, roscadas y transmisiones por friccin se emplean diferentes marcas de aceros y metales no ferrosos. En las uniones por interferencia el coeficiente de friccin es la caracterstica fundamental, mientras que para las transmisiones por friccin se exige una alta resistencia al desgaste. Las recomendaciones dadas en la tabla 2.7 para la seleccin del coeficiente de friccin en uniones por interferencia, son de orientacin ya que este depende de los materiales de la unin, magnitud de la carga, acabado superficial, temperatura de trabajo, etc. Tabla 2.7 - Coeficiente de friccin esttico para uniones por interferencia (pieza interior de acero). Tipo de montaje Acero Hierro F.Gris Aluminio Bronce - Latn Polmero Mecnico 0.06-0.13 0.07-0.12 0.02-0.06 0.05-0.10 0.40-0.50 Trmico 0.14-0.16 0.07-0.09 0.05-0.06 0.05-0.14 -

Si las cargas son variables y las frecuencias, superiores a los 10Hz, se recomienda disminuir el coeficiente de friccin en un 30-40%.

Los valores del coeficiente de friccin para uniones roscadas se muestran en la tabla 2.8.

Tabla 2.8 - Coeficiente de friccin esttico para uniones roscadas. Estado f (seco) f (seco) f (seco) Sin recubrimiento

0.032-0.52/0.14-0.24 0.18-0.23/0.10-0.14 0.16-0.21/0.11-0.14

Cadmiado 0.24-0.31/0.12-0.24 0.15-0.25/0.05-0.15 0.16-0.22/0.050.13 Zincado 0.24-0.40/0.07-010 0.15-0.20/0.09-0.11 0.14-0.19/0.08-0.11

Los valores del numerador representan al valor del coeficiente de friccin en la rosca y los del numerador a los de las caras de los elementos de la unin (tuerca arandelas, superficies de las piezas a unir, etc.)


En las transmisiones por friccin se emplean diferentes pares de materiales en dependencia de las condiciones de trabajo. En la prctica se emplean los siguientes materiales: Acero templado - acero templado para cojinetes con dureza HRC > 60, los cuales por lo general trabajan lubricados y son las transmisiones de friccin de menores dimensiones y los ms eficientes. Para el caso de condiciones de friccin seca se emplean los pares hierro fundido - acero y hierro fundido, debido al contenido de grafito presente en el hierro fundido que bajo estas condiciones acta como un lubricante slido. El par Textolita-Acero presenta mayor coeficiente de friccin que los casos anteriores y por lo tanto exigen menores fuerzas de apriete. En la actualidad se estn empleando con xito materiales metalocermicos y plsticos (Tabla 2.9).

Tabla 2.9 - Coeficiente de friccin para las transmisiones por friccin. Materiales del par Coeficiente de friccin

Acero templado Acero templado 0,04 - 0,05 (lubricado); 0,l5 - 0,l8 (seco) Acero Hierro fundido 0,20-0,25 Cuero Hierro fundido 0,25-0,35 Madera Hierro fundido 0,35-0,50

En los sistemas de frenos, embragues y acoplamientos de friccin se emplean materiales metlicos, base asbesto, metalocermicos y orgnicos. En este caso es de vital importancia el comportamiento trmico de los materiales y la mxima presin que stos soportan. Estos dos indicadores son los ms importantes a la hora de seleccionar los materiales que formaran el sistema tribolgico; En tal sentido, se tienen tres grupos fundamentales de materiales para frenos y embragues, los cuales presentan las siguientes caractersticas:

Materiales para condiciones ligeras de friccin: Temperatura mxima (Tmx) 200 oC para corto tiempo Tmx 120 oC para largos perodos de trabajo Presin mxima (Pmx) 0,5 - 0,8 MPa

Materiales para condiciones medias de friccin Tmx 400 oC durante corto tiempo Tmax 250 oC durante largo tiempo Pmx 1,5 MPa Materiales para condiciones pesadas de friccin

Tmax 1000 - 1100 oC para corto tiempo Tmx 400 - 500 oC para largo tiempo Pmx 5 - 6 MPa Los regmenes de friccin ligeros es caracterstico de frenos de automviles, el rgimen medio del transporte ferroviario, excavadoras, etc. y el rgimen pesado para el sistema de frenado de los aviones. En la actualidad en la fabricacin de frenos, embragues y acoplamientos de friccin se emplean metales y aleaciones no ferrosas, en la mayora de los casos se emplean aceros, hierros fundidos grises los cuales tienen muy buenas propiedades contra el agarramiento. Tambin se emplean los bronces. Uno de los parmetros que afectan la magnitud del coeficiente de friccin es la forma constructiva del freno, es decir el tipo de freno (Tabla 2.10).


Tabla 2.10 - Influencia del tipo de freno en el coeficiente de friccin. Tipo de freno

Zapatas Cinta Cnicos Discos Materiales

del Par Seco Lubricado Seco Lubricado Seco Lubricado Seco Lubricado

Ac Ac 0.15 0.04 - - - - 0.18 0.04 Ac HF 0.25 - 0.18 0.10 0.20 0.10 0.16 0.10 Ac Br 0.16 0.12 0.16 0.12 0.21 0.10 0.18 0.10 HF HF 0.15 0.10 - - 0.15 - 0.15 0.08 HF Br 0.16 0.15 - 0.10 - - - -

La velocidad de deslizamiento es un factor que tiene marcada sobre el coeficiente de friccin de los embragues por friccin, aumentando con el aumento de esta (Tabla 2.11).

Tabla 2.11 - Coeficiente de friccin para el par metal metal en embragues de friccin. Coeficiente de Friccin Materiales del par Seca Lubricada

PMx (MPa)

Bronce Acero - 0.05 0.6-0.9 Hierro Fundido Hierro Fundido 0.15 0.05 1.0-1.8 Hierro Fundido Acero - 0.06 0.8-1.5 Acero Templado Acero Templado - 0.03 1.5

Los frenos metlicos empleados en las locomotoras y carros de ferrocarril generalmente se fabrican de hierro fundido gris, a pesar de que estos materiales se caracterizan por una disminucin brusca del coeficiente de friccin ante el incremento de la temperatura (cuya velocidad se debe al surgimiento en la superficie de contacto de una capa de xido); sin embargo, su empleo se mantiene debido a su alta resistencia al agarramiento para regmenes medios de explotacin. Otro de los materiales altamente empleados en la fabricacin de frenos y embragues son los materiales base caucho. stos pueden soportar temperaturas de hasta 300 C. El coeficiente de friccin en estos materiales al igual que en los hierros fundidos disminuye con el aumento de la temperatura. Generalmente se emplean en la construccin de zapatas de frenos para automviles, camiones, carros de ferrocarril, o sea para regmenes de friccin ligero y medio. En la tabla 2.12 se dan las caractersticas friccionantes de varios materiales compuestos asbesto-caucho producidos en Rusia y EE.UU.; y en la 2.13, de materiales de este tipo desarrollados por el grupo de tribologa de la Universidad de Oriente, Cuba.

Tabla 2.12 Coeficiente de friccin de los materiales compuestos desarrollados en Rusia y EE.UU.

Marca del Material Coeficiente de Friccin 100- 130 C 320-380 C

6 KX 1 0.57 0.52 6 X 32 0.60 0.36-0.20 6K8-10 0.67 0.18-0.07 Cobra 0.50 0.11

Tabla 2.13 - Coeficiente de friccin materiales base caucho sobre acero. Material Coeficiente de friccin (f*) Coeficiente de friccin (f*) ZF-12 0.58 0.27 ZF-13 0.59 0.22 ZF-21 0.51 0.44 C-50 0.48 0.38 BF-1 0.20 0.15**

(*) a: 100 y 300 oC de temperatura volumtrica (**) a: 200 oC


La baja temperatura de combustin a la cual los materiales compuestos asbesto-caucho se transforman en polvo es su gran desventaja. Al interactuar con el material del contracuerpo, se producen carburos de alta dureza, las capas superficiales del freno se endurecen y fragilizan, incrementndose el desgaste. Cuando las temperaturas alcanzan valores del orden de 380 a 600C comienza a ocurrir desgaste catastrfico, como es conocido en la tribologa. El coeficiente de friccin de los materiales compuestos asbesto-resina (plstico-resina) en el rango de 100-400oC tambin disminuye y aparecen en la superficie de friccin porciones de lquido, debido a la fusin de la resina. Sin embargo, para temperaturas por encima de los 500 C el coeficiente de friccin del material Retinaks (material compuesto de asbesto, baritina y resina fenolformaldehido, y en ocasiones, fibras de latn) se estabiliza (f = 0,27-0,30) y la intensidad del desgaste no sobrepasa 70 mg/kg m 10. La singularidad de los materiales Retinaks es que bajo la accin de altas temperaturas se produce de forma intensa el proceso de coquificacin, debido a la cual se produce en la superficie de friccin una capa porosa de alta resistencia al calor de origen carbnico la cual se rellena del polvo producto de la combustin y del lquido procedente de la descomposicin de la resina.

Para el caso de las transmisiones por correa polea la magnitud del coeficiente de friccin est influenciada por el tipo de material de la correa en su combinacin con el de la polea (Tabla 2.14).

Tabla 2.14 coeficiente de friccin para transmisiones polea correas. Material de la polea Tipo de correa Madera Acero Hierro fundido

Cuero curtido con sustancia vegetal 0.30 0.25 0.25 Cuero curtido con sustancia mineral 0.45 0.40 0.40 Cauchotada 0.32 0.30 0.30 Algodn 0.25 0.22 0.22

2.7 MTODOS EXPERIMENTALES PARA LA DETERMINACIN DE LAS FUERZAS Y MOMENTOS DE FRICCIN

El fenmeno de la friccin es extremadamente complejo y depende de un gran nmero de condiciones y factores. Una de las etapas ms importante durante el estudio del proceso de la friccin en los sistemas tribolgicos, resulta su determinacin experimental a nivel de laboratorio, en mquinas de ensayos especficas. Los parmetros ms importantes a determinar durante estos estudios resultan la fuerza y el momento de friccin. Para la determinacin de la fuerza y el momento de friccin existen diversos mtodos. El mtodo comnmente usado es el fundamentado en el principio del desplazamiento de una probeta mvil, con respecto a una fija. La probeta fija se acopla a un sistema de medicin que permite registrar la magnitud de la fuerza de resistencia al movimiento. En la mayora de estas instalaciones se emplea la extensometra, debido a la alta precisin con que se puede evaluar la magnitud de la fuerza y el momento friccional de los diferentes sistemas tribolgicos. Durante el estudio de los fenmenos que tienen lugar durante la friccin es necesario tomar en cuenta aquellos factores fundamentales que influyan de manera significativa en la interaccin de los slidos en contacto (Fig. 2.17).


Fig. 2.17 Factores que influyen sobre la interaccin friccional

de los cuerpos slidos. INSTALACIONES EXPERIMENTALES Las propiedades friccionantes de los sistemas tribolgicos se evalan en instalaciones experimentales. Segn el esquema cinemtico las instalaciones experimentales para la determinacin de los parmetros friccionales, se dividen en dos clases fundamentales: Mquinas de friccin de revolucin: Instalaciones experimentales que presentan

movimiento giratorio en un solo sentido. Mquinas de friccin Alternativas: Instalaciones experimentales que realizan

desplazamiento relativo alternativo. Cada un de las clases anteriores se dividen en dos grupos: Mquinas de friccin frontal: Instalaciones que contactan por sus caras planas. Mquinas de friccin circunferencial: Instalaciones experimentales en las cuales el

contacto entre las probetas ocurre por superficies curvilneas. Tomando en cuenta el coeficiente de recubrimiento, los grupos anteriores se dividen en dos subgrupos (Tabla 2.15): Mquinas de friccin con coeficientes de recubrimiento: Kr = 0 1 Mquinas de friccin con coeficientes de recubrimiento: Kr = 0 0.5

Por consiguiente, se tienen ocho tipos diferentes de mquinas experimentales para el estudio de la friccin. Esta clasificacin es necesaria, en primer lugar, para poder lograr una correcta modelacin de los diferentes tipos de deterioro de las capas superficiales, y segundo lugar, para explicar el efecto de diferentes factores (concretamente de los procesos fsicoqumicos). El carcter de interaccin de las superficies en uno y otro tipo de movimiento se diferencia considerablemente. El movimiento alternativo lleva a desgaste severo.

Tabla 2.15 Clasificacin de las instalaciones experimentales para el estudio de la

friccin. Movimiento relativo

En un solo sentido Alternativo Coeficiente de Recubrimiento Kr Friccin frontal

Friccin Circunferencia

l

Friccin Frontal

Friccin Circunferencial

0.5 < Kr 1 a B c D 0 Kr < 0.5 e F g H

Los esquemas correspondientes a cada una de las clasificaciones referidas en la tabla 2.15 se muestran en la figura 2.18.


Fig. 2.18 Esquemas de las instalaciones para ensayos de materiales a friccin.

La variacin del coeficiente de recubrimiento es un factor que influye considerablemente en el desgaste de los elementos del sistema tribolgico, variando la magnitud del mismo en un amplio rango. Para la modelacin del rgimen trmico, del medio circundante, la carga, y la velocidad cada una de las instalaciones experimentales puede ser habilitada con dispositivos especiales que posibiliten seleccionar uno u otro parmetro en un amplio diapasn.

Las propiedades adhesivas de los materiales, caracterizadas por los parmetros friccionales o y , necesarios para la determinacin del coeficiente de friccin, se determinan en un tribmetro (Fig. 2.19). En este equipo la forma geomtrica de las probetas debe ser exacta, bien definidas y de bajo acabado superficial.

Mtodo para la determinacin de las propiedades adhesivas En el tribmetro, en calidad de muestras a estudiar, se utiliza el inductor esfrico 18 y las placas planas paralelas 5 y 6. El inductor esfrico se fija al mandril cilndrico 8, que posee una ranura circular en la que se coloca el cable 4 fijado al muelle plano 15, que a su vez, se fija a una plataforma que tiene la posibilidad de desplazarse por la gua 20. En la plataforma se fija el cable 19, que se enrolla en la tambora 9 del reductor 17 y que al rotar, el eje del inductor desplaza la plataforma conjuntamente con el muelle plano; el muelle se deforma y el cable hace que gire el mandril con el inductor esfrico.


Fig. 2.19 - Tribmetro para la determinacin de los parmetros friccinales 0 y .

La fuerza de resistencia al movimiento giratorio se valora por la deformacin del muelle plano. El registro de la deformacin en el muelle se realiza mediante un puente extensomtrico colocado sobre el mismo con un amplificador 13 y un equipo registrador de la deformacin 14. La rotacin del mandril se realiza bajo la accin de la fuerza de compresin del inductor esfrico, y se coloca entre los soportes inferior 16 y superior 7. El soporte inferior 16 tiene la posibilidad de desplazarse verticalmente, facilitando colocar horizontalmente el brazo 11 del mecanismo de carga 10. La placa superior 21 se une con la inferior 1 por medio de las columnas 3. Este tipo de instalacin experimental permite realizar experimentos con placas de diferentes espesores e inductores esfricos de diferentes dimetros. En el extremo superior del dispositivo de fijacin de la probeta 7, se coloca una bola de acero sobre la cual descansa el mecanismo de carga. El centrado del inductor esfrico con respecto a la bola de acero se realiza con la ayuda del dispositivo de centrado. El tribmetro se puede colocar en una cmara para la regulacin del medio trabajo. Antes de la realizacin de los ensayos, tanto el mecanismo de carga como el que registra la fuerza deben ser calibrado. Las dimensiones de las probetas para los ensayos se toman de acuerdo a las exigencias de las probetas para los ensayos de dureza Brinell. El grado de elaboracin de las superficies depender de las propiedades mecnicas de las probetas. Si la dureza de la placa HB < 30, la superficie antes del ensayo debe elaborarse con un material textil y si la dureza HB > 30 la superficie de trabajo de la placa hay que pulirla.

Utilizando el tribmetro de una bola los parmetros o y se pueden determinar por el mtodo de descarga. Para eso inicialmente es necesario determinar la carga que provoque el surgimiento de deformaciones plsticas en la zona de contacto y su correspondiente presin real de contacto(Pr1), seguidamente disminuir la carga normal en un 30% y de nuevo determinar la presin real (Pr2), suponiendo que las tensiones normales medias en las zonas de contacto sern iguales a la carga aplicada entre el rea de la huella provocada por la primera carga. Si se construye el grfico de n vs Pr se obtendr una recta cuya pendiente ser igual al parmetro y al cortar el eje de las ordenadas produce un segmento cuyo valor es igual a o (Fig. 2).


Fig. 2.20 - Relacin entre las tensiones tangenciales y la presin real de contacto.

De este modo, la componente molecular del coeficiente de friccin y los parmetros o y determinados por el mtodo descrito, pueden ser utilizado para pronosticar los valores del coeficiente de friccin en pares reales.

Metodologa para la determinacin de las constantes friccionales o y Para las caractersticas constructivas y de diseo del tribmetro los experimentos se deben realizar segn la siguiente metdica de ensayo. 1. Determinar la carga normal aplicada por el inductor esfrico del tribmetro

QFN += 27.655.16 (2.30) donde: FN - Fuerza normal [N] Q - Carga aplicada [Kg]

2. Determinar el valor de la fuerza normal a partir de la cual tienen lugar las deformaciones plsticas

( ) 23

222 117E

HBRF eNp = (2.31)

donde: HB - Dureza del material E - Mdulo de elasticidad del material - Coeficiente de Poison del material Re - radio del inductor esfrico

3. Determinar la carga que garantice el surgimiento de las deformaciones plsticas (Q1)

( ) 6.2127.6

172

322

2

=E

HBRQ emin (2.31)

En este caso se debe cumplir que Q1 > Qmin KQQ min = 1 , donde K = 2.5.

4. Realizar la calibracin del tribmetro y colocar las probetas 5. Realizar los ensayos para las condiciones de carga Q1 6. Realizar los ensayos disminuyendo la carga un 30%

En este caso se tiene: Q2 = 0,75 Q1 (2.32) 7. Determinar las tensiones tangenciales que surgen como resultado de las interacciones

moleculares e interatmicas en los lmites de la zona de contacto inductor-placa probeta


hN

mn RF

HBRF

= 75.0 (2.33)

donde: F - Fuerza necesaria para poner el mandril en movimiento [N] Rm - Radio del mandril [mm] Rh - Radio de la huella realizada por el inductor esfrico [mm]

8. Determinar para cada carga la presin real de contacto

hRFP

e

Nr =

2 (2.34)

donde: h - Penetracin del inductor esfrico en la placa probeta [mm]

4

2h

eedRRh = (2.35)

donde: dh - Dimetro de la huella realizada por el inductor esfrico [mm]

9. Determinar las constantes friccionales 0 y , para lo cual se debe construir la grfica tensin vs presin real de contacto (Fig. 2.20)

10. Determinar la componente molecular del coeficiente de friccin

hN

mml RF

RFf

= 75.0 (2.36)

Determinacin experimental de las constantes friccionales o y Con el objetivo de validar el tribmetro y tomando en cuenta la metdica anterior, se tom como patrn para los ensayos el acero AISI 1045, con y sin tratamiento trmico, con el objetivo de comparar los resultados obtenidos con los reportados por otros autores en ensayos similares. El estudio del comportamiento friccional del acero AISI 1045, fundido, con durezas de 223 y 326 HB se realizan para dos estados friccionales: seco y lubricado. Como lubricante se utiliza aceite circulacin 68. El estudio se dividi en dos etapas. En la primera se tomaron muestras del acero AISI 1045 con dureza HB 326 y se determinaron los parmetros friccionales, comparando los resultados con los reportados por Kragelski V. I. para este mismo acero, pero con dureza HB 324. Buscando conocer la influencia de la dureza y el estado de friccin (seco o lubricado) sobre los parmetros objeto de estudio, la segunda etapa se realiza aplicando un diseo factorial N = 2K. Este tipo de diseo origina la siguiente matriz experimental:

Tabla 2.16. Matriz experimental. N X1, HB X2, estado de Friccin1 + (326) + (seco) 2 - (223) + (seco) 3 + (326) - (lubricado) 4 - (223) - (lubricado)

X1 - Dureza Brinel del material X2 - Estado de friccin del par inductor esfrico - placa probeta

Estos resultados sern ajustados segn el modelo emprico-matemtico a obtener del tipo: y = b + b1 X1 + b2 X2 + b12 X1X2 (2.37)


En dicho modelo, y es el valor de la propiedad considerada, en funcin de las variables independientes.

Y1 = o

Y2 = De la primera etapa se tiene:

Tabla 2.17- Valores de o y para el acero AISI 1045 con dureza HB 326 y estado de friccin seco.

Experimento No o , MPa. 1 240 0,068 2 235 0,061 3 238 0,066

Kragelski V. I. reporta, para similares condiciones, valores de o = 229,6 MPa y = 0,072. Como se puede observar los resultados obtenidos no difieren significativamente de los reportados por este autor. Por consiguiente, se decidi realizar la segunda etapa experimental, que arroj los siguientes resultados:

Tabla 2.18 - Valores de o y para el acero AISI 1045 variacin de dureza y estado de friccin.

N Dureza HB Estado de friccin o, MPa 1 326 Seco 244,0 235,0 239,5 0,063 0.067 0.065 2 223 Seco 232,5 227,5 230,0 0,026 0,022 0,024 3 326 Lubricado 160,0 167,5 163,7 0,055 0,054 0,053 4 223 Lubricado 195, 198,5 196,7 0,011 0,016 0,0135

Del procesamiento de los resultados se obtienen los modelos emprico-matemticos (ecuaciones 2.38 a la 2.41) que facilitan el estudio del comportamiento de las variables analizadas en los lmites de la regin experimental. Como se puede apreciar, con el empleo de lubricante, la componente molecular del coeficiente de friccin disminuye, como resultado de la disminucin de las tensiones tangenciales y por consiguiente, de las interacciones moleculares. Para el estado de friccin seco:

o = 274.93 - 0.16HB (2.38)

= - 0.064 + 0.000396HB (2.39) Para el estado de friccin lubricado:

o = 225 - 0.16HB (2.40)

= - 0.075 + 0.000394HB (2.41) Para el caso del contacto elstico, en un rango de cargas pequeas, la tensin de contacto media (Pr) se puede regular mediante la variacin de la fuerza normal (Fn) o variando los dimetros de los inductores esfricos a una carga constante. A de sealarse que se tiene contacto elstico si se cumple que la tensin de contacto media es menor que la dureza del material ms blando (Pr< HBb) y plstico si sta alcanza o sobrepasa dicha dureza (Pr HBb). La determinacin de la componente molecular para el estado deformacional plstico puede determinarse mediante la penetracin de un inductor cnico. La probeta se comprime entre dos inductores cnicos y bajo la accin de la carga se somete a movimiento, mediante el giro del mandril portaprobetas con respecto a su eje de simetra. Los conos empleados deben ser de materiales de alta dureza y con ngulos entre 160 y 180.


Mtodo para el estudio de la fatiga superficial De acuerdo con la representacin que se tiene del desgaste de los cuerpos slidos, la resistencia a la rotura bajo cargas variables, creadas por la interaccin de los cuerpos durante el deslizamiento, est caracterizada por la curva de fatiga superficial y define la dependencia entre la amplitud de la tensin () deformacin (), y el nmero de ciclos (nf) hasta la ruptura de la capa superficial del material. Los mtodos para la determinacin de las caractersticas de la fatiga superficial pueden ser directos o indirectos. Sobre la base de los fundamentos de los mtodos directos se desarrollan los ensayos a fatiga superficial, en los cuales el nmero de ciclos hasta la rotura del material se determina por el nmero de interacciones con el inductor al momento del desprendimiento de las partculas de desgaste.

Los ensayos se realizan en un Ciclmetro (Fig. 2.21). La metodologa de ensayo se basa en lo siguiente: La probeta plana 2, que presenta la forma de un disco de 10 mm de dimetro, se fija a la mesa giratoria 1. Contra la probeta acta el inductor 3 que se fija al sistema de medicin de la fuerza de friccin 4.

Fig. 2.21 - Es de la instalacin experimental para el estudio de fatiga superficial.

Para los ensayos en calidad de inductor se toma esferas de aceros para rodamientos y un cono de diamante con radio de redondeo de 40 m. En el muelle plano del sistema de registro de la fuerza de friccin se pegan 4 extensmetros 5. La fuerza normal sobre el inductor se aplica con las pesas 6. El puente extensomtrico a un oscilgrafo a travs de un amplificador de seales. El sistema de registro de la fuerza de friccin se coloca en uno de los extremos del brazo oscilante 7 y en el otro se colocan los contrapesos 9 que mantienen al sistema en equilibrio. La columna 8 se fija a la mesa 14 y puede desplazarse por la probeta 2 a diferentes radios. El movimiento de la mesa portaprobeta se efecta por medio de un motor elctrico y un reductor sin fin con un nmero de revoluciones n = 1 200 min-1. En el rbol de giro de la mesa portaprobeta se coloca un equipo totalizador del nmero ciclos. Durante los ensayos sobre el inductor se aplican cargas que no provoquen el corte o rayado de la probeta. En repetidas pasadas iniciales el desgaste no tiene lugar. El estado de la superficie de la probeta y el inductor se controla con el empleo de un rugosmetro. En dependencia de la magnitud de la penetracin relativa surge un nmero de ciclos (nf) a partir del cual se intensifica el deterioro de la capa superficial de la probeta. Las transformaciones de la capa superficial cesan a un determinado nmero de ciclos (nf*), el cual tambin se determina por los resultados del perfilograma obtenido del rugosmetro.


A partir de los resultados del ensayo se construye la dependencia de la tensin con el nmero de ciclos. El indicador de la curva de fatiga (t) se determina en funcin del ngulo de inclinacin de la curva. Los valores de o se determina extrapolando los valores experimentales para nf =1 El mtodo indirecto se basa en la determinacin de los parmetro de la curva de fatiga a partir de los resultados de las pruebas de desgaste a nivel de laboratorio. La esencia del mtodo radica en la determinacin experimental de la intensidad del desgaste de los materiales ensayados bajo determinadas condiciones. Con los clculos de las correspondientes dependencias se de terminan las caractersticas de fatiga de los materiales. En estos mtodos por regla general se emplean contracuerpos con formas macrogeomtricas regulares.

Mtodo para el estudio de la resistencia trmica de los materiales durante la friccin La resistencia trmica es la capacidad que presentan los materiales para mantener constante durante el rozamiento el coeficiente de friccin y la intensidad del desgaste en un amplio rango de temperatura. La resistencia trmica se puede determinar analticamente a partir de la siguiente ecuacin:

( )= ,cPff ; ( )= chh PiI (2.42) La intensidad del desgaste se calcula como la relacin entre los valores absolutos del desgaste y el recorrido de friccin.

SfWhIh = (2.43)

Una correcta evaluacin de la resistencia trmica de los materiales resulta el estudio del comportamiento del coeficiente y la intensidad del desgaste para diferentes valores de temperatura, que se generan durante el proceso de ensayo. En la actualidad, regido por los criterios anteriores, se producen una serie de equipos experimentales (Fig. 2.22) que permiten realizar el estudio minucioso de la influencia de las propiedades fsico-qumicas y los regmenes de trabajo sobre las propiedades friccionantes de los sistemas tribolgicos.

Fig. 2.22 Esquema de mquinas para ensayos de friccin de pares superiores.

Estas instalaciones se utilizan para la modelacin de sistemas tribolgicos con pares cinemticos superiores (transmisiones dentadas, rueda riel, cojinetes de rodamiento, etc.) La instalacin experimental que se utiliza para la determinacin de los parmetros de desgaste en materiales polimricos es la representada en la figura 2.23. El principio de funcionamiento se basa en el desplazamiento de la probeta por la superficie de un tambor recubierto con un papel abrasivo. Los valores del desgaste se expresan considerando las prdidas volumtricas.


Fig. 2.23 Esquema de mquinas para ensayos de desgaste en polmeros

Las instalaciones descritas en la figura 2.24 se emplean para la modelacin de: Estudios sobre la friccin y el desgaste en pares con coeficientes de recubrimiento

menores o iguales a uno (Kr 1), aplicado a sistemas tribolgicos altamente cargados (Fig. 2.24 a y b)

Determinacin y estudio de la capacidad trmica de los materiales (Fig. 2.24 b) Estudio de la propiedades antifriccin y antidesgaste de los materiales lubricantes a

temperaturas elevadas y normales, determinacin de la resistencia trmica durante la friccin de capa lmite (Fig. 2.24 c y d)

Fig. 2.24 Esquema de mquinas para ensayos de friccin.

La investigacin de los procesos de friccin de sistemas tribolgicos con movimiento alternativo y con temperaturas altas y normales se realiza en instalaciones que responden al principio de funcionamiento mostrado en la figura 2.25.

Fig. 2.25 - Esquema de mquinas para ensayos de friccin con

movimiento alternativo.

La capacidad de resistencia al microcorte se evala en instalaciones experimentales que responden al principio de funcionamiento mostrado en la figura 2.26.


Fig. 2.26 - Esquema de mquinas para ensayos de friccin en

rgimen de microcorte.

Determinacin de la fuerza y el momento de friccin por medio de dinammetros de resorte Por mucho tiempo y aun en la actualidad resulta comn el empleo de dinammetros de resorte para la medicin de la fuerza y el momento de friccin. En la figura 2.27 se muestra el esquema de una instalacin de este tipo desarrollada por el laboratorio de tribologa de la Universidad Central Mara Abreu de Las Villlas, Cuba, la cual ha sido diseada para la simulacin y reproduccin del fenmeno de desgaste adhesivo en un amplio rango de variacin de las condiciones de trabajo.

Fig. 2.27 - Mquina de friccin frontal (MFMA-01).

Esta instalacin permite determinar fuerzas de friccin de gran magnitud y con una alta precisin. La fuerza de friccin que surge entre la probeta fija 4 y contracuerpo 5 se transmite mediante el sistema de palanca 9 al dinammetro 8. La deformacin que experimenta el muelle plano es registrada por el indicador de cartula 2, con una escala divisoria de 0.01-0.001 mm. El dinammetro consta de 4 muelles planos intercambiables. El primero para el registro de fuerzas de friccin de 0100N; el segundo, de 100500N; el tercero, de 5003000N; y el cuarto, de 300010000N. Otra de las instalaciones desarrolladas y que trabaja bajo el mismo principio es la representada en la figura 2.28, concebida para el estudio y reproduccin de los procesos de oxidacin de los metales durante la friccin y el efecto de diferentes medios gaseosos sobre el desgaste de los materiales del sistema tribolgico.


Fig. 2.28 - Mquina de friccin frontal (MFF-01).

Esta mquina tiene la forma de una cmara hermtica en cuyo interior, a una determinada velocidad, gira el plato-contracuerpo 3. Contra ste fricciona la superficie de la probeta 5. La probeta se fija a uno de los extremos del sistema de palanca 2; el otro extremo de este sistema acta sobre el muelle plano 7, deformndolo. La deformacin que experimenta el muelle es registrada por el indicador de cartula 1. La probeta se puede colocar a cualquier distancia del centro del plato-contracuerpo, logrndose la variacin de la velocidad de deslizamiento. El dimetro del plato-contracuerpo es de 200 mm, lo que al desplazar la probeta por su superficie permite obtener velocidades en el rango de 0.5 a 15m/s a una velocidad de giro del plato de 1400 min-1.

Determinacin de la fuerza y el momento de friccin por medio de captadores inductivos y extensmetros. En la actualidad, en la mayora de las instalaciones para ensayos de materiales a friccin se emplean captadores para la determinacin de la fuerza de friccin, los cuales registran la magnitud de las deformaciones del elemento flexible a travs de impulsos elctricos. En la figura 2.29 se ilustra un ejemplo de estas instalaciones experimentales.

Fig. 2.29 - Mquina de friccin frontal (MFR-01).

La magnitud de la fuerza de friccin es registrada por el captador inductivo 5. El motovariador de velocidad 10 transmite el movimiento al disco contracuerpo 1, el cual, al friccionar con la probeta 2 tiende voltear la bancada mvil 14 conjuntamente con el mecanismo de fuerza 6-7-8.


El sistema se mantiene en equilibrio debido a que el brazo 13 de la bancada mvil contacta con el muelle plano 11, que se deforma producto de la magnitud de la fuerza de friccin. La deformacin del muelle es registrada por el captador. El empleo de captadores para la determinacin de la fuerza de friccin debido a la deformacin de un elemento elstico permite simplificar de manera significativa el diseo y construccin de las instalaciones experimentales.

Los captadores de alambre (extensmetros) poseen una alta sensibilidad y precisin en la medicin. Los extensmetros se pegan al elemento flexible (muelle plano) y por medio de la variacin de la resistencia en el extensmetro se determina la magnitud de la deformacin que experimenta. La sensibilidad del extensmetro y la estabilidad de la medicin para repetidas mediciones depende de la calidad con que se hayan pegado los mismos a la superficies del muelle plano. Es por ello que antes de pegar el extensmetro la superficie del elemento elstico debe ser cuidadosamente preparada. Antes del pegado del extensmetro la superficie del muelle plano debe limpiarse cuidadosamente, para eliminar los restos de polvo, lubricantes. La limpieza debe realizarse con tolueno o gasolina y posteriormente, para eliminar humedad, con alcohol etlico. Para la medicin de la deformacin con el empleo de extensmetros, se emplean en la mayora de los casos cuatro elementos de medicin (Fig.2.30): Fuente de corriente directa o alterna Puente extensomtrico Amplificador de seales Registrador de seales

Fig.2.30 Esquema de la fuente extensomtrica.

Una de las ms empleadas resulta el puente extensomtrico (Fig. 2.31) compuesto por un extensmetro de resistencia RA(activo) y tres adicionales inactivos (R1, R2, R3), la fuente de corriente y el galvanmetro.

Fig.2.31 Puente extensomtrico simple.

El puente se considera balanceado cuando por el galvanmetro no pasa corriente. En este caso:

0312 = RRRRA (2.44)


Figura 2.32 colocacin de los extensmetros en el muelle plano.

Por regla general las resistencias R1 y R2 son iguales; por su parte, tambin iguales pero diferentes a las dos anteriores RA y R3. En el muelle plano estos dos ltimos extensmetros son activos y se conectan a diferentes terminales del semipuente. Estos se pegan sobre las caras del muelle plano que experimentan, igual magnitud de deformacin, pero de sentido contrario. Durante la deformacin del muelle plano el extensmetro RA vara su resistencia a una magnitud de R, lo que origina el desbalance del puente y el galvanmetro registra el paso de la corriente.

A

AG RRII

=2

(2.45)

De la ecuacin 2.45 se tiene, que la corriente que pasa por el galvanmetro (IG) es proporcional a la variacin de la resistencia del extensmetro (R) y por consiguiente, a la deformacin del muelle y la intensidad de corriente que pasa por el extensmetro. Midiendo la corriente que pasa por el galvanmetro se puede determinar la magnitud de la deformacin del muelle sobre el cual se pegan los extensmetros. En la figura 2.33 se muestra una instalacin experimental para el estudio de la friccin y el desgaste en la que se emplea el mtodo anteriormente descrito.

Fig. 2.33 Mquina de ensayos a friccin y desgaste.

La probeta 4 fricciona con el contracuerpo 3, que al girar tiende a deformar el muelle plano 8, sobre el cual se pegan los extensmetros 7. El puente extensomtrico se alimenta con una fuente de corriente directa. La deformacin del muelle plano debida a la accin de la fuerza de friccin es registrada por el galvanmetro 10.


Determinacin experimental del coeficiente de friccin A partir de los fundamentos anteriores y utilizando la instalacin experimental descrita en la figura 2.29, se estudia el comportamiento del par Hierro fundido - Hierro fundido, para diferentes condiciones de carga y velocidad. La mayora de las aleaciones importadas por la industria de maquinaria agrcola cubana so de hierro fundido de aleacin baja y media, matriz perltica de espaciado interlaminar entre 0.8 y 1 micrmetros. El contenido de carbono ms silicio se encuentra entre 5.2 y 5.4% y el grafito ms empleado es el laminar recto con distribucin uniforme y tamao entre 30 y 120 micrmetros. La dureza de este material resulta de HB 235 - 245. Los materiales objeto de estudio son producidos en Cuba y se obtienen en un horno de induccin y son de hierro fundido gris aleado, presentando una matriz metlica ferrito-perltica con un 40% de ferrita y 60% de perltica. El espaciado interlaminar de la perlita es de 0.8 1.3 micrmetros. El grafito es del tipo laminar recto (de 60-120 m) uniformemente distribuido en la matriz metlica. La dureza de los mismos es de HB 245 para la aleacin A y de HB220 para la B. La tecnologa de fundicin es en coquilla centrifugada. La composicin qumica se dosific similar al de la aleaciones de importacin, reportndose en la tabla 1 los valores determinados experimentalmente.

Tabla 2.19 - Composicin qumica de los materiales sealados.

Aleaciones Composicin Qumica Importadas A B

% C 2,7-3,1 3,5 3,6 % Si 1,7-2 1,84 2,6 % Mn 0,8-1,1 0,35 0,35 % P 0,18 0,20 0,25 % S - 0,037 0,045 % Cr 0,4-0,05 0,46 0,18 % Ni 0,9-1,2 1,65 1,0 % Cu 0,3-0,6 1,19 -

CONDICIONES DE LOS ENSAYOS Durante la realizacin de los ensayos se vari la carga en un rango de Pn = 1.5-14.6 MPa y velocidades de deslizamiento de Vd = 0,183-0.366 y 0.732 m.s-1. Durante los ensayos de friccin la fuerza de friccin se midi directamente en el equipo registrador del tribmetro y el coeficiente de friccin se determin por la siguiente ecuacin:

n

F

FF

= (2.46)

donde: FF - Fuerza de friccin Fn - Fuerza normal - Coeficiente de friccin Las condiciones generales bajo las cuales se realizaron los ensayos se pueden ver en la tabla 2.20.


Tabla 2.20 - Condiciones generales de los ensayos. Tipo de contacto Bloque cilindro. Rugosidad del bloque, Ra 0, 4 m Dimetro del cilindro 50 mm (A) Factor de recubrimiento 0.051 Espesor del cilindro 12 mm Duracin de los ensayos 6 horas. rea nominal del cilindro 1885 mm2 Temperatura ambiente 32 C Rugosidad del cilindro, Ra 0, 2 m Humedad Ambiental 86 % Radio del bloque 25 mm (B) Tipo de lubricante Multi A. Espesor del bloque 8 mm Longitud del bloque 11,6 mm rea nominal del bloque 96 mm2

De manera experimental se defini que el carcter de variacin del coeficiente de friccin en el par estudiado responde a una ley exponencial, que se aproxima con gran precisin a la ecuacin 2.47. El factor de correlacin de la ecuacin para el par resulta de R2ajust.= 0, 9914.

=

nPBA exp (2.47)

Los valores de los coeficientes de la ecuacin se muestran en la tabla 2.21.

Tabla 2.21 - Valores de los coeficientes de la ecuacin. Velocidad de Deslizamiento

Coeficientes

[m/s] A B 0, 183 0, 1712 3, 184 0, 366 0, 1719 3, 335 0, 732 0, 1724 3, 499

Analizando los valores de las constantes se tiene que la velocidad de deslizamiento no influye significativamente sobre el coeficiente de friccin.

INFLUENCIA DE LA PRESIN Y LA VELOCIDAD DE DESLIZAMIENTO SOBRE EL COEFICIENTE DE FRICCIN

El comportamiento del coeficiente de friccin con la presin nominal de contacto se muestra en la figura 2.34. Como se puede observar, el incremento de la presin trae consigo un aumento del coeficiente de friccin, hasta un determinado valor de presin a partir del cual comienza una disminucin del coeficiente de friccin, lo que coincide con lo planteado por diferentes autores al referir que con la presin de contacto el coeficiente de friccin vara aumentando y disminuyendo, pasando por un determinado valor crtico. Lo anterior est dado por la influencia de la componente mecnica y molecular de la fuerza de friccin. Si se toma en cuenta el tipo de desgaste predominante en el par, en el cual predominan las deformaciones plsticas, queda claro la marcada influencia de la componente mecnica o deformacional en una primera etapa; Posteriormente y con menor influencia, es la componente molecular o adhesiva la de predominio.


Fig. 2.34 - Comportamiento del coeficiente de friccin con la presin de contacto.

El efecto de la velocidad para el caso de los materiales estudiados resulta diferente al de la presin. La velocidad de deslizamiento para el marco de los experimentos, no tiene marcada influencia en el valor del coeficiente de friccin.

2.8 ANLISIS DE LOS RESULTADOS EXPERIMENTALES DE ENSAYOS DE LABORATORIOS

Durante los ensayos se obtienen una gran cantidad de datos experimentales a los cuales se les determina una serie de parmetros estadstico-matemticos tales como:

Media Aritmtica de los Resultados ( ) o ( )y Ha de sealarse que estos parmetros representan la media de una propiedad evaluada durante los experimentos.

=

=n

i

i

nyy

1 (2.48)

Desviacin Media Cuadrtica o Desviacin Estndar de la Media ( )S o ( )

( )

11

2

=

=

n

yyS

n

i (2.49)

2dRS = para nmero de ensayos (corridas) entre 1 y 10 (2.50)

donde:


n Nmero de experimentos (corridas experimentales)

( )=

n

iyy

1

2 - Suma del cuadrado de las desviaciones

R Diferencia entre el valor ms alto y el ms bajo de las medias en las corridas experimentales (n) d2 Factor de desviacin (Tabla 1)

Desigualdad Cuadrtica o Variabilidad del Procedimiento de Ensayo ( )V A este parmetro tambin se le conoce como Coeficiente de Variacin; se da en %.

100=ySV (2.51)

Es comn sealar que para un nmero de ensayos (corridas experimentales) igual o superior a 30 ( )y , ( )S o ( )V se pueden por mtodo de las sumas o las multiplicaciones.

Tabla 2.22 Factor de desviacin para la desviacin estndar estimada en el rango del tamao bsico de la muestra.

2 1.128 0.88653 1.693 0.59074 2.059 0.48575 2.326 0.42996 2.534 0.39467 2.704 0.36988 2.847 0.35129 2.970 0.3367

10 3.078 0.3249

Tamao de la Muestra (n)

Factor de Desviacin (d2) (1/d2)

El tamao de la muestra ( )n se puede determinar como:

2

TextoTribologíaCapítulo 2

Documents

Transcript of TextoTribologíaCapítulo 2