BANCO EXPERIMENTAL PARA PRUEBAS DE IMPACTO DE UN AMORTIGUADOR TIPO ELASTÓMERO

BANCO EXPERIMENTAL PARA PRUEBAS DE IMPACTO DE UN AMORTIGUADOR TIPO ELASTÓMERO Dariusz Szwedowicz, Piero Espino R., Eladio Martínez R., Jorge Bedolla H., Claudia Cortés G. Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico, CENIDET Departamento de Ingeniería Mecánica, Interior Internado Palmira s/n A.P. 4-224, C.P 62450, Cuernavaca, Mor., México. Teléfono: Tel. (777) 3 12 76 13. E mail d.sz@cenidet.edu.mx, mare@cenidet.edu.mx RESUMEN En el artículo se presenta el diseño del banco experimental para pruebas de disipación de energía por un amortiguador tipo elastómero sometido a impacto. Se describe en detalle el banco experimental y la metodología para realizar las pruebas. También se presenta el sistema de adquisición de datos experimentales y el procedimiento de medición de la fuerza de impacto, en el dominio del tiempo. Finalmente se presentan las conclusiones de los resultados obtenidos de esta investigación, en relación con las necesidades de diseño de los amortiguadores de impacto. ABSTRACT An experimental set-up for measurements of dissipation energy in a shock absorber with elastomers is presented in this paper. The acquisition system and the measurement methodology are described in details. The proposed evaluation process of the experimental data allows for determination of impact forces in the time domain. The obtained results of the measured impact forces and dissipation properties are discussed in relation to needs in the design of shock absorber. INTRODUCCIÓN. El impacto es importante en ingeniería porque representa una gran parte de las cargas dinámicas existentes en sistemas mecánicos y sistemas de transportación. Generalmente, se trata de eliminarlo, ya que puede generar efectos indeseables en máquinas y sistemas o uniones mecánicas, como desgaste, fracturas, desajustes o en caso extremo, provoca la falla del mecanismo o sus elementos. En la mayoría de los casos el impacto no se puede evitar, por lo que se trata al menos de minimizarlo, y por está razón es necesario estudiar y analizar el fenómeno del choque en forma experimental, numérica o mixta. Este tipo de estudios permite dar recomendaciones para el proceso de optimización del diseño existente o también puede eliminar los errores en la fase conceptual del proyecto de un sistema mecánico. Para reducir o controlar el impacto existen varias alternativas, las cuales dependen del diseño que se adopte para controlar y reducir sus efectos. Por ejemplo Harris & Crede [1], presentan tres métodos para control del choque y vibración. El primero método corresponde a la reducción de origen de la perturbación, el segundo al aislamiento del sistema y el tercero a la reducción de la respuesta, un ejemplo de esta última opción es la disipación de energía. En este campo de la disipación de energía se encuentran integrados los amortiguadores, algunos de ellos basados en el flujo viscoso, muy usados en la industria automotriz, otros en la fricción [2] y algunos más en el impacto. Es necesario mencionar que en el CENIDET se han estado desarrollando trabajos experimentales y numéricos relacionados con el análisis del fenómeno del impacto en sistemas mecánicos, por ejemplo Espino [3], Martínez y otros [4], Szwedowicz y otros [5-7] y Szwedowicz [8-11]. En este trabajo se presenta un estudio experimental de la disipación de la energía por un amortiguador comercial tipo elastómero sometido a impacto. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA. El objetivo principal de este trabajo está enfocado al diseño y construcción de un banco experimental, para pruebas de disipación de energía por un amortiguador comercial tipo elastómero. Se describe el banco de pruebas, los sistemas de adquisición de datos experimentales, la metodología para realizar las pruebas experimentales y los resultados de las mismas. En la Figura 1 se presenta un amortiguador comercial tipo elastómero que fue escogido para las pruebas. El impacto se genera por el choque del péndulo del banco de pruebas basado en una máquina Charpy modificada, sobre el amortiguador tipo elastómero. En el banco experimental se analizaron tres amortiguadores disponibles en el mercado, con las mismas geometrías y dimensiones, pero de diferente origen, para comparar su capacidad de disipación de DMM349

energía. Los resultados de estas pruebas son útiles para determinar la variabilidad del comportamiento de los productos comerciales existentes. Figura 1. Fotografía del amortiguador comercial tipo elastómero que fue escogido para las pruebas del impacto DESCRIPCIÓN DEL BANCO Y METODOLOGÍA DE PRUEBAS En la Figura 2 se presenta el banco de pruebas que se diseñó para realizar el estudio experimental de disipación de energía. Este banco es una adaptación de la máquina de impacto Charpy que se encuentra en el Laboratorio de Ingeniería Mecánica del CENIDET. Dispositivo de pruebas de impacto Figura 2. Fotografía del banco de pruebas experimentales de impacto. Péndulo En la Figura 3 se muestra el esquema del banco experimental de pruebas con su sistema de adquisición de datos experimentales, tal como se indican a continuación: 1. Máquina de pruebas de impacto, marca TMI 43-01 modelo 52004 con péndulo de Charpy. 2. Amortiguador tipo elastómero. 3. Sensor de fuerza para 30.3 kn. 4. Base de sujeción del sensor de fuerza. 5. Multímetro marca LG, modelo DM-312. 6. Módulos Amplificadores Modelo 2310, marca Vishay Intruments. 7. Múltiple. 8. Tabla de medición de posición del péndulo de Charpy por el sistema led infrarrojos. 9. Medidor del ángulo del péndulo de Charpy, Potenciómetro 10k. 10. Circuito electrónico (Foto-transistor y Led infrarrojos). 11. Fuente de voltaje variable de 120 VAC 24 VCD. 12. Analizador de espectros HP3566A 13. Computadora marca Hewlett Packard, modelo Vectra 486DX2 El sistema se basa en la estructura principal de la máquina de pruebas de impacto (charpy, izod) marca TMI 43-01 de la que se utilizan la base (4) y el péndulo (1). Se cambiaron los soportes de probetas por el diseño especial de la base (4) que permite colocar el sensor de fuerza (3) con amortiguador tipo elastómero (2) y realizar las pruebas de experimentales. Además, se diseñó el dispositivo de medición del ángulo del péndulo (8,9,10,11) para controlar la altura inicial del péndulo sobre el punto de impacto y la trayectoria angular del péndulo durante la prueba. Los sensores con que se realiza la instrumentación se conectan a sus acopladores y/o amplificadores correspondientes y éstos al analizador de espectros HP3566A, en donde se obtiene y almacena la información para su análisis. El dispositivo experimental se diseñó para energías de impacto de hasta 4.65 J. El control de la energía suministrada es función de la altura del dispositivo de disparo. La metodología para llevar a cabo las pruebas, es la siguiente: (a) se fija el amortiguador (2) por medio de un tornillo en la parte posterior sobre el sensor de fuerza (3); (b) se coloca, fija y alinea el dispositivo de sujeción (4) con respecto a la línea de impacto en la mesa de trabajo de la máquina de prueba Charpy marca TMI, modelo 52004; (c) se alinea el amortiguador (2) con el punto de contacto con el péndulo de la máquina Charpy (1); (d) se coloca el péndulo de la máquina Charpy a un ángulo de caída del libre, como respecto a la vertical de la línea de impacto; (e) se conecta el sensor de fuerza al amplificador modelo 2310 (6) y se conecta el amplificador modelo 2310 al analizador de espectros HP3566A (12); (f) se conecta la fuente de poder DMM350

regulador de voltaje variable (10) al medidor del ángulo del péndulo (9) y se ajusta el voltaje de salida a 9 Volts, por medio de un cable de osciloscopio se contacta el medidor del ángulo del péndulo (potenciómetro), al analizador de espectros HP3566A; (g) se conecta la fuente de poder regulador de voltaje variable al circuito electrónico del fototransistor y los led infrarrojos, y por medio de un cable de osciloscopio se conecta al analizador de espectros HP3566A; (h) se enciende la computadora HP Vectra 486, iniciando el programa 3566A-67 y se declaran los parámetros de voltaje y la sensibilidad del sensor de fuerza, medidor del ángulo y la posición del péndulo (circuito electrónico foto-transistor y los led infrarrojos), también se establecen las unidades de fuerza (N), ángulo (Deg) y voltaje (V), y se asigna el canal del medidor del ángulo como el canal de disparo; (i) una vez ubicados y conectados todos los elementos, se libera el péndulo de la máquina Charpy desde el ángulo de caída libre previamente ajustada; (j) el analizador de espectros procesa las señales eléctricas en forma digital y, por medio de la computadora HP Vectra 486 se obtienen los gráficos de fuerza, ángulo y posición del péndulo con respecto al tiempo; (k) se realizan las pruebas experimentales para las condiciones de impacto y ángulo de caída libre del péndulo antes escogido. El ángulo de caída libre del péndulo con respecto a la vertical del punto de contacto del amortiguador son: 9.7º,12.0º,14.6º,18.0º y 21.9º grados. Finalmente es necesario mencionar que el sensor de medición de fuerza de impacto, el sistema de medición de posición del péndulo de Charpy por el sistema led infrarrojos y el medidor del ángulo del péndulo de Charpy son diseños propios. RESULTADOS EXPERIMENTALES En esta parte se presentan los resultados experimentales escogidos y obtenidos de las pruebas al amortiguador comercial tipo elastómero, sometidas a diferentes ángulos de caída libre del péndulo de la máquina Charpy. De los resultados de las pruebas se obtienen los gráficos de la fuerza de impacto, ángulo de caída libre del péndulo y posición del péndulo con respecto al tiempo. En una primera etapa se realizaron pruebas a un solo tope y del cual se obtuvieron los resultados mostrados en la tabla 1. Tabla 1. Resultados obtenidos para las pruebas con diferentes ángulos de caída libre del péndulo. Ángulos de caída libre del péndulo (Grados) Velocidad de aproximación (m/s) Energía cinética del péndulo (Joule) Energía consumida en el impacto (Joule) Coeficiente de restitución (e) 9.7º 0.3637 0.15647 0.10490 0.8379 12.0º 0.4409 0.23001 0.13118 0.8498 14.6º 0.5460 0.35265 0.22241 0.8630 18.0º 0.6716 0.53356 0.29052 0.8460 21.9º 0.8139 0.78362 0.46095 0.8343 Los datos mostrados en la tabla 1, se obtuvieron de los caracteres de fuerza de impacto y desplazamiento angular del péndulo, ejemplificados en la figura 4 y 5. Los datos obtenidos de estos caracteres permiten calcular la velocidad del péndulo en el instante antes del contacto y por tanto su energía cinética, así mismo conociendo la altura de caída del péndulo y la altura alcanzada por este después del contacto, se obtiene la energía consumida y el carácter de la fuerza de impacto de donde se obtienen sus áreas de acción y reacción de las cuales se calcula el coeficiente de restitución. Figura 3. Esquema del banco experimental de pruebas de impacto. Se realizaron diez pruebas manteniendo constante el ángulo de caída libre del péndulo, con el fin de obtener los valores representativos para cada una de las condiciones dadas e incrementando el ángulo de caída libre hasta llegar al ángulo máximo establecido. En la Figura 6, se presenta verificación por el sistema de leds infrarojos la posición del péndulo obtenida por el medidor de ángulo. Los leds infrarrojos que se encuentran a un costado del péndulo, mandan una señal eléctrica la cual es recibida por un fototransistor, indicando el ángulo exacto que se encuentra el péndulo. Este sistema permite calibrar por comparación el sistema de medición de ángulo del péndulo. DMM351

En la Figura 7, se presenta los resultados experimentales de fuerza de impacto obtenidas para diferentes valores el ángulo de impacto del péndulo de la máquina Charpy, en el caso de un sólo tope. 560 N Fuerza Real Inst Time 1-140 -189.5377 msec Prueba de impacto 15 grados 475.7388 msec Figura 4. Gráfica de fuerza de impacto en función del tiempo. 18 Deg Ángulo de caída libre Real Inst Time 2-2 -500 msec Prueba de impacto 15 grados 3.5 Sec Figura 5. Gráfica de ubicación del péndulo antes y después del impacto obtenida por el medidor de ángulo. 14 V Real Posición del péndulo Inst Time 5-6 -500 msec Prueba de impacto 15 grados Figura 6. Gráfica de la posición del péndulo de la máquina Charpy. 3.5 Sec Después de la calibración y verificación del banco experimental se realiza la comparación experimental del comportamiento dinámico de tres amortiguadores tipo elastómero, con la misma forma y dimensiones disponibles en el mercado, pero de diferente fabricante. Estos amortiguadores se identificaron con las letras A, B y C. En el procedimiento del análisis experimental se tomaron tres diferentes ángulos de caída libre del péndulo de la máquina Charpy (9.7º,14.6º y 21.9º). Angulo de caída libre del péndulo (grados) 25 20 15 10 5 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Fuerza maxima del impacto (N) Figura 7. Fuerza máxima del impacto en función del ángulo de caída libre del péndulo. La comparación de los resultados de las pruebas se presentan en la Figura 8, en donde se muestra que existe una diferencia de valor de fuerza de impacto en función del ángulo de caída libre del péndulo entre diferentes amortiguadores disponibles en el mercado con la misma geometría. Esta diferencia en los resultados de los tres amortiguadores de caucho, a pesar de ser evaluados bajo las mismas condiciones de impacto y que tienen las mismas dimensiones, es provocada por diferentes propiedades mecánicas obtenidas por el método utilizado en su fabricación. Angulo de caída libre del péndulo (grados) 25 20 15 10 5 0 0 200 400 600 800 1000 Fuerza maxima de impacto (N) Prueba de impacto (amortiguador A) Prueba de impacto (amortiguador B) Prueba de impacto (amortiguador C) Figura 8. Comparación experimental de fuerza de impacto para diferentes amortiguadores de impacto. En la Figura 9, se presentan los resultados de la prueba de impacto del amortiguador B, donde se observa el incremento de la fuerza de impacto para los ángulos de caída libre del péndulo (9.7º,14.6º y 21.9º) con respecto a la duración del evento. DMM352

Las pruebas experimentales de impacto al amortiguador comercial tipo elastómero, sometidas a diferentes ángulos de caída libre del péndulo de la máquina Charpy permitieron obtener valores de la energía consumida en el impacto, velocidad de aproximación del péndulo, coeficiente de restitución y factor de amortiguamiento y se presentan en la Tabla 1. Fuerza de impacto (N) 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0-100 0 5 10 15 20 25-200 Tiempo (seg) Prueba experimental de 10º grados Pruena Pruebaexperimental 15º grados Prueba experimental 20º grados Figura 9. Gráfica del comportamiento del amortiguador B cuando es sometido a la fuerza del impacto con respecto al tiempo. CONCLUSIONES En el trabajo se presenta el diseño y construcción del banco experimental con su sistema de adquisición de datos experimentales para la simulación de impacto, utilizando amortiguadores tipo elastómero. Las pruebas experimentales mostraron un buen comportamiento del banco experimental, de su sistema de adquisición de datos experimentales, del sensor de fuerza del impacto, del medidor del ángulo del péndulo y el sistema de los leds infrarojos. El diseño presentado es muy universal porque se puede adaptar fácilmente a diferentes condiciones de la prueba, y, además, colocar otros sistemas mecánicos a experimentar, por ejemplo amortiguadores por fricción. Como aportación adicional, es útil como equipo didáctico. Las pruebas experimentales proporcionaron información del comportamiento dinámico de amortiguadores tipo elastómero. Además, con el uso del banco es posible determinar la fuerza de impacto y su carácter, su duración, coeficiente de restitución, factor de amortiguamiento y la energía consumida. El banco experimental se usó para evaluar el comportamiento dinámico de tres diferentes amortiguadores de tipo elastómero, disponibles en el mercado con la misma geometría y dimensiones. Se comprobó que existe diferente comportamiento dinámico entre ellos, y por ejemplo en el caso de la fuerza de impacto, se registró 24% de diferencia. Se puede resumir que el banco experimental puede tener la aplicación industrial en el proceso de control de la calidad. AGRADECIMIENTOS Los autores quieren dar las gracias por el financiamiento recibido para el desarrollo de esta investigación por COSNET (Consejo del Sistema de Educación Tecnológica) dentro del proyecto, No. 430.02-03-PR y 524.04-P. BIBLIOGRAFÍA [1] Harris C. y Crede C.,.M. 1961, Shock and Vibration Handbook. McGraw-Hill, New York. [2] Ferri A. A., 1995, Friction Damping and Isolation Systems, ASME Journal of Vibration and Acoustics, Vol 117, pp. 196-206. [3] Espino, P., 2004, Modelado Numérico con Verificación Experimental de un Amortiguador de Impacto Tipo Elastómero, Tesis de Maestría, Cenidet, Cuernavaca, México. [4] Martínez E., Szwedowicz D., Bedolla J., Cortés C., Simulación Numérica de Contacto e Impacto en Uniones Perno-Agujero de Vigas Vibratorios, Memorias del X Congreso Anual de la Sociedad Mexicana de Ingeniería Mecánica (SOMIM), pp. 423 427, 1 al 3 de Septiembre 2004, Queretano, México [5] Szwedowicz D., Gaona A., Martínez E., Bedolla J., Cortés C., 2003, Banco Experimental para Pruebas de Disipación de Energía por Fricción en Uniones Mecánicas Sometidas a Impacto, Computación Aplicada a la Industria de Procesos, Actas del 6 Congreso Interamericano de Computación Aplicada a la Industria de Procesos, CAIP 2003, pp. 325 328, ISBN 968-6254-61-7, Editado por: B.U. Kozanoglu, J.L. Patiño, Octubre 20-23, 2003, Puebla, México [6] Szwedowicz D., Martínez E., Bedolla J., Rodriguez J.M., 2003, Experimental and Numerical Free Vibration Analysis of Bolted Connections with Respect to Mechanical Clearances, DETC2003/RSAFP-48697, Proceedings of the DETC03, ASME 2003 Design Engineering Technical Conference and Computers and Information in Engineering Conference, 17th Reliability, Stress Analysis and Failure Prevention Conference (17RSAFP), Chicago, Illinois, USA, September 2-6, 2003, pp. 1-8. [7] Szwedowicz D., Martínez E., Bedolla J., Rodriguez J.M., Colín J., 2003, Excitability Assessment of Mechanical Systems with Elastic Impacts, Proceedings of the Tenth International DMM353

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