Simulación del proceso de remachado de un perno espaciador en discos de clutch utilizando ANSYS Workbench para aceros DIN C10C y SAE AISI 1010

Transcripción

1 Simulación del proceso de remachado de un perno espaciador en discos de clutch utilizando ANSYS Workbench para aceros DIN C10C y SAE AISI 1010 Gabriela GUERRA 1, Ulises FIGUEROA-LÓPEZ 2, Andrea GUEVARA-MORALES 2 1 LUK Puebla, Schaeffler Mexico 1 Escuela de Ingeniería y Ciencias, Tecnológico de Monterrey

2 Introducción Grupo de trabajo Problemática justificación Objetivo Metodología Pruebas de compresión Simulación compresión Simulación remachado Resultados FEM Experimentales Propuesta FEM como herramienta de diseño Conclusiones Agenda

3 Quiénes somos? Tecnológico de Monterrey, Campus Estado de México Grupo de Tecnología en Plásticos y Compuestos ( Escuela de Ingeniería y Ciencias 3

4 Quiénes somos? Ciencia de Materiales Plásticos Polímeros convencionales para aplicaciones ingenieriles Polímeros Nanocompuestos (PNCs) Polímeros biodegradables o biopolímeros Relaciones estructuraprocesamiento-propiedad Diseño de Componentes Plásticos Diseño para la manufactura y ensamble Elaboración de guías de diseño para componentes inyectados Procesamiento de Plásticos Análisis de esfuerzos residuales en componentes plásticos inyectados Simulación del proceso de inyección Diseño de moldes y herramentales Diseño de un molde mecatrónico para monitorear las variables principales de inyección

5 Quiénes somos? INDUSTRIA AUTOMOTRIZ Maestría en Ingeniería Automotriz Toluca y Puebla Centro de Investigación en Mecatrónica Automotriz - Toluca Autopartes Luk Federal Mogul Rassini Ensambladoras Laser hardening process Fraunhofer IWS Dresden 5

6 Problemática Incremento significativo en las ventas de automóviles en mercados emergentes OEMs han sido forzados a relocalizar su producción para reducir costos de manufactura y logística Para asegurar una cadena de suministro eficiente y flexible se deben contratar proveedores locales Materiales equivalentes entre regiones, por ejemplo Norteamérica y Europa

7 Problemática Las características de ambos materiales pueden presentar algunas diferencias que, aunque menores, impactan fuertemente alguna aplicación específica Cuando las recomendaciones de diseño, geometría y manufactura, que fueron desarrolladas para un material, se aplican a otro distinto se obtienen resultados diferentes Esto puede afectar el desempeño del producto en servicio Ejemplo: perno espaciador del disco del clutch

8 Perno espaciador Mantiene juntos los platos opresores que mantienen los resortes de amortiguamiento en su lugar Limita el giro de la placa para evitar que los resortes se rompan Asegura un comportamiento de histéresis correcto, el cual es dependiente de la fricción entre los componentes dentro del disco. Esta fricción es controlada por el resorte de diafragma y a su vez por la altura del perno espaciador

9 Perno espaciador Una pequeña desviación en las dimensiones del perno puede resultar en problemas serios de vibraciones y ruido en el vehículo Las dimensiones del perno son definidas durante su remachado Diferencias en el material diferencias en remachado diferencias en las dimensiones Simulación FEM: herramienta para contrarrestar diferencias en el material y obtener productos bajo especificación

10 Objetivo Analizar el efecto de la relocalización del material, esto es, utilizar materiales equivalentes bajo diferentes estándares, en el proceso de remachado de un perno espaciador para disco de clutch, utilizando simulación computacional y validándola con pruebas experimentales.

11 Materiales DIN C1OC (Europa) SAE-AISI 1010 (Norteamérica) Composición química equivalente C10C Propiedades mecánicas equivalentes UTS Ductilidad 1010

12 Metodología FEM tan bueno como los datos que se introducen 1. Obtener curvas de compresión de ambos materiales 2. Simular el ensayo de compresión para validar modelo de material y corroborar condiciones a la frontera 3. Simular el proceso de remachado y comparar con pruebas experimentales 4. Analizar diferencias en ambos materiales 5. Proponer cambio de dimensiones en la posta del material 1010 (antes del remachado) para obtener un perno dentro de especificación

13 Ensayo de compresión Máquina Universal Instron 4500 Velocidad de 5 mm/min hasta alcanzar fuerza de 80 kn Sin lubricación, como el remachado C10C 1010

14 Curva esfuerzo-deformación

15 Simulación en ANSYS ANSYS Workbench 13.0 Modelo 2D creado en Pro-E Wildfire 4.0 Elementos: hexaedros principalmente con tamaño promedio de 0.5 mm; tetraedros en las transiciones Materiales: Placas: acero estructural lineal Probeta: curvas esfuerzo-deformación obtenidas Isotrópicos, homogéneos y libres de esfuerzos residuales

16 Condiciones a la frontera Placa inferior fija para evitar desplazamiento Fuerza rampa de 80 kn aplicada a la placa superior por 20 segundos Al alcanzar 80 kn se libera la placa Frictional connections entre las placas y la probeta para obtener abarrilamiento Coeficiente de fricción de 0.2 basado en trabajo de Gaertner y Dropa (2006) En la zona de la contacto por fricción se hace un refinamiento de la malla

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20 Remachado (a) Sujeción (b) Desplazamiento de la prensa (c) Remachado

21 Simulación en ANSYS ANSYS Workbench 13.0 Modelo 2D creado en Pro-E Wildfire 4.0 Elementos: hexaedros principalmente con tamaño promedio de 0.5 mm; tetraedros en las transiciones Materiales: Disco y prensa: acero estructural lineal Probeta: curvas esfuerzo-deformación obtenidas Isotrópicos, homogéneos y libres de esfuerzos residuales

22 Condiciones a la frontera Contactos frictional connections Una fuerza de sujeción de 1 kn se aplica al disco

23 Condiciones a la frontera La prensa de desplaza hacia abajo hasta que la cabeza del remache alcanza las dimensiones de la especificación Es decir, cuando el diámetro de la cabeza alcanza la dimensión deseada, las fuerzas de sujeción y de remachado se retiran.

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27 Validación experimental Prensa hidráulica Cada ensamble contiene 5 pernos No se incluyeron los elementos del clutch Se realizaron 4 ensambles para cada material 2 al mínimo diámetro de cabeza del perno 2 al máximo diámetro de cabeza del perno En total 20 remaches de cada material

28 Validación experimental

29 Propuesta Se propone incrementar la dimensión del barril del acero 1010 para reducir su compresión durante el remachado Con una mayor área se reduce el esfuerzo y la compresión del barril, quedando dentro de la especificación Se realizaron diversas simulaciones y se encontró que un incremento en el diámetro del barril de 6%* resulta en un producto dentro de especificación * Incremento de aproximadamente 8% en costo de material

30 Conclusiones Se comparó el comportamiento durante remachado de dos materiales considerados equivalentes: DIN C10C y SAE-AISI 1010 La simulación indica que el material 1010 se comprime en promedio 0.3 mm más que el C10C La diferencia se debe al esfuerzo de cedencia: 628 MPa para el C10C y 479 MPa para el 1010 La simulación se validó con pruebas experimentales, para el 1010 hay muy buena correlación. En el caso del C10C la simulación sobrestima la compresión para el diámetro máximo de cabeza Se propone un cambio en la dimensión del barril para contrarrestar la diferencia

31 Referencias ASM International ASM Handbook Volume 8: Mechanical Testing and Evaluation, ASM International. DIN DIN 660: Round head rivets - Nominal diameters 1 mm to 8 mm Germany. Gaertner, E. L. & Bortili, M. G. Some aspects for the simulation of a nonlinear problem with plasticity and contact. International ANSYS Conference, Gupta, N. & Shah, C. (1986). Barreling of a short cylinder in compression. International Journal of Machine Tool Design and Research, 26, 2, Narayanasamy, R., Murthy, R., Viswanatham, K. & Chary, G. (1988). Prediction of the barreling of solid cylinders under uniaxial compressive load. Journal of Mechanical Working Technology, 16, 1,

32 Contacto Escuela de Ingeniería y Ciencias, Tecnológico de Monterrey Grupo de Tecnología de Plásticos y Compuestos Dr. Ulises Figueroa López Dra. Andrea Guevara Morales ufiguero@itesm.mx a.guevaram@itesm.mx