e-TRIBOS ARTÍCULO PARA AAT – RECUBRIMIENTOSD DLC
The Lubrication Engineering [Education and Research] Working Group Members meeting at the Department of Education, London, 1965.
Revista de la Asociación Argentina Tribología
Nro. 9 - Octubre
2016
Comité que elaboro el reporte JOST reunidos en Londres, 1965.
50 AÑOS DEL NACIMIENTO DE LA TRIBOLOGIA “Tribology is not a specialist subject. It is the physical science based technology of friction. Friction is vital for mankind, without it, people could not move, fish could not swim, birds could not fly. The quality of life for this and future generations will all be helped by the application of the ever-increasing knowledge of tribology.” Jost Report, 1966
ARTICULO DE DIFUSIÓN PARA AAT
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e-TRIBOS es una publicación de la ASOCIACIÓN ARGENTINA DE TRIBOLOGÍA. La distribución de esta revista se realiza sin cargo a los socios de la AAT y personas relacionadas con la TRIBOLOGÍA. Si Ud. desea ser incluido en el listado de distribución por favor envíenos sus datos a través de la página de www. aatribologia.org.ar
Octubre 2016 Nro.9
Índice NOTICIAS TRIBOLOGICAS
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e-TRIBOS está abierta a la recepción de trabajos sobre cualquier aspecto de la disciplina TRIBOLOGÍA. Los autores son invitados a enviarnos los mismos los cuales de ser aceptados serán publicados sin cargo ni retribución.
REDUCCION DE FRICCION EN MOTORES DE C.I.
ANALISIS de la CAUSA RAIZ de FALLA de RODAMIENTOS
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Registro Nacional de la Propiedad Intelectual en trámite Editor: Roberto J. Leonetti
COMISIÓN DIRECTIVA
Presidente: José L.Piña Vicepresidente: Esteban Lantos Secretario: Walter R. Tuckart Tesorero: Roberto J. Leonetti Vocal: Alfredo E. Eilenberger Vocal: Esteban P. Echeverría Vocal: Carlos L.Romano Vocal Suplente: Sonia P. Brühl Revisor Cuentas: Germán Prieto Revisor Cuentas: José A. Rossit Revisor Cuentas: Andrés R. Pereyra
Asociación Argentina de Tribología Av. Alem 1253 – Bahía Blanca (8000)- Buenos Aires-Argentina www.aatribologia.org.ar
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Celebrando los 50 años de la Tribologia en el Palacio de Buckingham: Prof Wilfried Bartz, Tribology Gold Medallist (Germany); Prof Friedrich Franek, President, Austrian Tribology Society (Austria); Prof Jean Fréne, Tribology Gold Medallist and Past President, French Tribology Society (France); Prof Kenneth Holmberg, Chairman, Finnish Tribology Society (Finland); HRH The Duke of Edinburgh; Prof Peter Jost; President of the International Tribology Council; Dr Bernie Rickinson, Chief Executive, IOM3; Prof Nikolai Myshkin, Chairman, Society of Tribologists of Belarus (Belarus); Prof Ian Sherrington, Administrator of the International Tribology Council; Prof Ward Winer, Tribology Gold Medallist (USA); Eugene C Gwaltney Jr. School Chair Emeritus, Georgia Institute of Technology (USA).
El día 2 de Marzo de 2016 personalidades de la Tribologia fueron invitadas a una recepción especial en el palacio de Buckingham para celebrar los 50 años del informe que introdujo la palabra TRIBOLOGIA en el mundo científico. Ese informe es conocido como Jost Report, llamado así por el Profesor Peter Jost, que presidio el comité que lo produjo. Los resultados del informe condujeron a una comprensión más profunda de la forma en que la Tribología puede beneficiar a la industria. El reporte mostro el posible ahorro de miles de millones de dólares que se puede generar por la aplicación de los conocimientos de la tribología. El acto de celebración fue encabezado por el profesor Peter Jost que animó a los asistentes a seguir promoviendo y participando en la ciencia y la tecnología para beneficio de la industria, el medio ambiente y la preservación de los recursos finitos”. (nota: el profesor Jost falleció en el mes de Junio de 2016 a los 95 años)
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4to Workshop TRIBaires 2017 – 9 y 10 de Mayo 2017 Organizado por la Asociacion Argentina de Tribologia se llevara a cabo los días 9 y 10 de Mayo de 2017 el 4to Workshop de Tribología TRIBaires 2017 en el CONVENTION CENTER de TENARIS – SIDERCA Torres Catalinas Norte - CABA. La agenda completa del workshop se informara próximamente. Para más datos en www.aatribologia.org.ar
43rd Leeds-Lyon Symposium on Tribology - The Jost Report – 50 years on El simposio se llevo a cabo en Leeds Trinity University, Leeds, UK, los dias martes 6 al viernes 9 Septiembre 2016. Expertos en ensayos y matemáticas presentaron los temas más relevantes en Tribologia del 2015. Este evento se realiza 50 años después del Informe Jost y permitio que Tribologos de todo el mundo analicen los progresos que han sido realizados desde esa fecha. Leeds-Lyon Symposium Secretariat - CPD, Conference & Events Unit, Faculty of Engineering University of Leeds - LEEDS, LS2 9JT, UK T: +44 (0)113 343 2494 E: leeds-lyon@leeds.ac.uk W: http://www.engineering.leeds.ac.uk/short-courses/LeedsLyon.shtml
4th International Conference on Competitive Materials and Technology Processes La conferencia se realizara en el Castillo del Rey Louis el Grande, en Miskolc (Hungría) en simultaneo con los Simposios is-ism1, is-icm2 and is-icbm2 in el Hunguest Hotel Palota en Miskolc-Lillafüred (Hungría) los días 3 al 7 de Octubre, 2016. Más Información en website http://www.ic-cmtp4.eu
UK TRIBOLOGY Network En el 2015, IOM3 (institution of Materials, Minerals and Mining) creo UK Tribology, uniendo los esfuerzos de cuatro Instituciones claves en el Reino Unido (Institution of Engineering and Technology, Institution of Mechanical Engineers, Institute of Physics and Royal Society of Chemistry). El objetivo es establecer una sola voz para llegar mejor a la industria y coordinar los esfuerzos en el desarrollo de la TRIBOLOGIA.
El link para conocer más es : http://www.uktribology.net/home
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ANALISIS de CAUSA RAIZ de FALLA de RODAMIENTOS Franco Gagliano – Ingeniero de Aplicación de SKF
Resumen Los rodamientos están entre los componentes más importantes en la gran mayoría de las máquinas. En mayor o menor medida de acuerdo a la aplicación, se espera de ellos una gran capacidad de carga, precisión de giro, funcionamiento silencioso, baja fricción, larga vida de servicio y confiabilidad. A pesar de un cuidadoso diseño y fabricación, además de su ensayo en la propia máquina, en ocasiones ocurre que el rodamiento no alcanza la vida de servicio esperada. Las fallas usualmente causan pérdidas económicas debido a pérdida de producción, daño de componentes adyacentes y costo asociado a reparaciones. Cada año se estima que se fabrican 10 mil millones de rodamientos a nivel mundial. Solo una pequeña fracción de los rodamientos en uso fallan. La mayoría (un 90%) duran más que la aplicación donde son instalados. Un número de rodamientos (9,5%) son reemplazados de manera preventiva. Aproximadamente 0,5% de los rodamientos son reemplazados porque fallan.
34% falla por fatiga; 36% falla por problemas de lubricación (lubricante inapropiado, en insuficiente o excesiva cantidad, inadecuado intervalo de relubricación); 14% falla por contaminación; 16% falla por otras razones (malas prácticas de manipulación y montaje, solicitación a cargas más elevadas o distintas a las previstas, ajustes erróneos).
Esta proporción varía según la industria o aplicación. En la industria de pulpa y papel, por ejemplo, la más significativa causa de falla es contaminación y lubricación inadecuada, no fatiga. Las fallas prematuras pueden ocurrir por una variedad de razones. Cada uno de estos modos de falla deja su propia impronta en el rodamiento. En consecuencia, examinando un rodamiento, muchas veces es posible establecer la causa raíz de falla y definir acciones correctivas para prevenir que se repita.
Hay varias razones por las cuales los rodamientos pueden fallar. En líneas generales:
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Pongamos como ejemplo una aplicación con sellos poco efectivos o sometido a alta contaminación. Cuando contaminantes particulados entren al rodamiento a través de los sellos, serán laminados por los elementos rodantes. Dicha rodadura creará indentaciones en los caminos de rodadura (fig. 1). Partículas duras causan indentaciones
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ARTICULO DE DIFUSIÓN PARA AAT con bordes afilados. Cuando el área alrededor de la indentación es sometida a los esfuerzos cíclicos propios del paso de elementos rodantes durante el normal funcionamiento, se dispara un mecanismo donde se combinan la fatiga superficial y el desgaste abrasivo. Una vez que comienzan estos fenómenos, el daño progresará hasta que el rodamiento quede fuera de servicio. Procedimiento de inspección La inspección del rodamiento dañado es solo una parte del análisis. Información tal como tipo de máquina, horas de funcionamiento, velocidad, lubricación, temperatura, diseño de componentes adyacentes, cargas, procedimiento de montaje, cantidad de arranques y paradas, etc. es esencial para poder dar con el diagnóstico acertado. No deben realizarse de manera apresurada las tareas de desmontaje, limpieza y desarme del rodamiento para su estudio. Estos procesos pueden eliminar evidencia que luego no podrá ser recuperada. Incluso antes de retirarlo de la máquina es conveniente marcar el rodamiento de manera que quede completamente determinada su ubicación: orientación del rodamiento, tanto en sentido axial como en sentido angular (ambos aros). Esto reviste aún mayor importancia cuando es un arreglo de más de dos rodamientos y cuando los mismos son desarmables y sus aros, intercambiables entre sí. El estado de componentes adyacentes al rodamiento como ser sellos, superficies de eje y alojamiento y lubricante también debe ser relevado y fotografiado. Es óptimo recolectar una muestra de lubricante para su posterior análisis, si eventualmente ameritase. El desmontaje debe interferir lo mínimo posible con las futuras tareas. Por ejemplo, un calentamiento con llama puede opacar las superficies, dificultando discernir modos de falla. El amolado de los aros es una opción conveniente en cuanto a que los cortes solo dañan una pequeña área de los aros, pero se
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corre el riesgo de dañar el eje. Existen herramientas de desmontaje que en una gran mayoría de los casos podrán permitir la extracción no destructiva del rodamiento. Recién en este momento podemos comenzar con la limpieza y el desarme del rodamiento, el cual suele consistir en un lavado con solvente en el caso de lubricación por grasa y en el amolado del aro exterior y jaula. Algunos rodamientos, como por ejemplo los desarmables o los autoalineables, pueden desensamblarse sin necesidad de cortar uno de los aros. Al igual que en las tareas anteriores, debe mantenerse el orden. Es imperativo que no se mezclen los componentes de dos rodamientos entre sí. Algunos rodamientos son más complejos que otros, con partes adicionales y/o doble hilera de elementos rodantes. Durante el desarme, no debe perderse la orientación de los componentes o a qué hilera pertenecen. Las superficies ya estarán listas para ser analizadas. La gran mayoría de los daños podrá clasificarse según la normativa que cito a continuación. No obstante, la experiencia juega un rol vital. A menudo se observarán varios modos de falla en un solo rodamiento, y queda a cargo del analista una tarea aún más difícil que el saber discernirlos: el saber en qué orden ocurrieron. Una de las principales tareas del departamento de Ingeniería de Aplicación de SKF es el de llevar a cabo este tipo de análisis en los equipos críticos de las industrias del país. ISO 15243 – Clasificación de modos de falla Hay un gran número de fabricantes de rodamientos y hay muchas publicaciones sobre daño y fallas de rodamientos, que pueden clasificar de manera diferente y emplear diferente terminología. Dentro de la organización ISO (International Organization for Standarization) se formó un grupo de trabajo para definir un método común de clasificación y terminología para
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ARTICULO DE DIFUSIÓN PARA AAT modos de falla de rodamientos. El grupo estableció que:
Una causa de falla muestra una cierta característica. Un cierto mecanismo de falla puede ser asociado a un cierto modo de falla. De acuerdo al daño observado, uno puede intentar definir la causa raíz de falla.
El estándar ISO 15243 fue publicado a principios de 2004. Desde ese momento, se obtuvo información y experiencia adicional en daños de rodamientos. A partir de este estándar, SKF generó una clasificación basada en tres aspectos:
Cubre todos los daños y cambios de apariencia que puede experimentar el rodamiento en servicio, luego de dejar la fábrica. Es decir que no tiene en cuenta fallas de fabricación o de diseño. Está restringida a marcas características que pueden ser atribuidas a causas particulares con un alto grado de certeza. Se basa en la evaluación de patrones visibles (ya sea a simple vista o bajo microscopio), obtenidos mediante ensayos no destructivos.
En el siguiente diagrama se enumeran dichos modos de falla, divididos en 6 grandes modos, algunos de los cuales tienen submodos.
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ARTICULO DE DIFUSIร N PARA AAT El detalle de estos modos de falla es sumamente extenso y escapa al alcance de esta nota, es por eso que se limitarรก a mostrar imรกgenes representativas de los mรกs comunes modos de falla:
FATIGA SUBSUPERFICIAL
FATIGA SUPERFICIAL
DESGASTE ADHESIVO
DESGASTE ABRASIVO
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ARTICULO DE DIFUSIÓN PARA AAT
CORROSION POR HUMEDAD
CORROSION DE CONTACTO
FALSO BRINELL
VOLTAJE EXCESIVO
PASAJE DE CORRIENTE
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ARTICULO DE DIFUSIÓN PARA AAT INDENTACION POR CONTAMINACION
DEFORMACION POR SOBRECARGA
FRACTURA FORZADA
Una última palabra En algunas ocasiones, el grado de destrucción es tal que se vuelve imposible determinar la causa raíz de falla del rodamiento. Es necesario conocer los límites de nuestra capacidad de análisis, para no dar falsos veredictos en función de información insuficiente.
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REDUCCION DE FRICCION EN MOTORES DE C.I. Roberto J. Leonetti – Consultor Desgaste y Lubricación Motores de C.I. – www.tribomecanica.com.ar
Resumen Los motores de C.I. están tratando de sobrevivir como fuente principal de la locomoción más allá del año 2030. Las nuevas normas ambientales crean dudas de que los motores de C.I. puedan cumplirlas a un costo razonable. Además las alternativas a los motores C.I. están actualmente técnicamente disponibles y solo razones de costo e infraestructura impide su popularización. Los fabricantes de motores han enfocado su esfuerzo en la reducción de la fricción y la mejora del proceso de combustión. Este artículo repasa los desarrollos tribológicos realizados para conseguir la mínima fricción en componentes como aros, pistones y cilindros..
Introducción Las normas ambientales para los motores de C.I. poseen límites muy exigentes y además formas de control difícil de cumplimentar. La Euro 6 exige reducir los NOx a 80mg/km como promedio de la flota diésel versus los 180 mg/km actuales de la Euro 5 y la emisión de CO2 debe ser inferior a los 95mg/km. Además a consecuencia de los escándalos denunciados en los motores diésel en EEUU se han cambiado las norma para medirlas (World Vehicles Test Procedure -WLTP) que incluye un protocolo que replica el mundo real (Portable Emision Measurement System-PEMS) que impiden manipular la perfomance de los motores en condiciones de ensayo como en el pasado. La tecnología actual para cumplir estos valores es excesivamente costosa lo que hace competitiva las alternativas eléctricas e hibridas. La reducción de los NOx se desarrolla con la optimización de la combustión, la recirculación de gases (EGR) y los sistemas de tratamientos de gases de escape (SCR) mientras que la reducción de CO2 solo puede lograrse con un menor consumo de combustible. La emisión de CO2 es la consecuencia natural de la combustión y por eso es tan importante la reducción de la fricción para bajar la emisión de CO2. REDUCCION de la FRICCION Los desarrollos de la reducción de la fricción están focalizado en el diseño del motor y sus principales componentes. La reducción del tamaño de los motores (downsizing) y el empleo de menos cilindros contribuye notablemente a la reducción de consumo de combustible. Un motor de 3 cilindros posee un 20% menos de fricción que uno de 4 cilindros de la misma cilindrada. Esta reducción es simplemente por la
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eliminación de un cilindro y los componentes asociados. Además el “downsizing” y la reducción de los cilindros reduce el peso de los motores contribuyendo a la disminución del consumo de combustible de los vehículos. Los componentes principales de los motores se están rediseñado y utilizan recubrimientos antifricción en los puntos de mayor contacto (anillos, pollera de pistón, botadores, cojinetes y sistemas de distribución). Además del empleo de lubricantes de ultra baja viscosidad como los nuevos 0W8 y 0W10. Además las bombas de aceite y de agua son de caudal variable para producir solo el caudal necesario para cada condición del motor y evitar regularla con el desperdicio de potencia a través de válvulas de alivio o de bypass. La mayor perdida por fricción en un motor es en el sistema aros/pistón/cilindro (aprox. un 42% del total) especialmente a bajas o medias cargas donde la mayoría de los motores operan normalmente.
36%
42%
22%
Friccion Interna Motores C.I. Aros - Pistones
Cojinetes
Resto
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Una gran contribución en la reducción de la Fricción son los recubrimientos tribológicos aplicados a los principales componentes además de garantizar la durabilidad. Estos recubrimientos son necesarios por las cargas específicas en los motores de alto rendimiento “downsizing”. Básicamente los principales recubrimientos son basados en Nitruros (CrN) y Diamond like Carbon (DLC). Depositados por Physical Vapor Deposition (PVD) o plasma asistido químicamente (PACVD). Los componentes recubiertos por estos procesos muestran una alta reducción en la fricción (reducciones de hasta el 90%) en condiciones de lubricación límite lo que sucede en muchos ciclos de la vida de un motor (ver gráfico).
Las ventajas de los recubrimientos para la reducción de la fricción están limitado por su costo y la durabilidad de los recubrimientos en ambiente muy agresivo. Se usan recubrimientos multicapas para lograr una suave transición entre la diferencia de la rigidez del recubrimiento y el del sustrato y evitar las altas tensiones cuando se usan espesores superiores a 10 µm. Los recubrimientos DLC (Diamond Like Carbon) son aplicados por la gasificación del material a aplicar mediante un bombardeado por iones de alta energía que extrae los átomos y los lleva a un estado gaseoso. El direccionamiento de la condensación de estos gases sobre los componentes produce estos recubrimientos que se combinan con otros gases como Nitrogeno, etc. AROS de PISTON La reducción de las perdidas por fricción de los aros depende de la lubricación del aro y el uso de recubrimientos con baja fricción cuando la lubricación es limite.
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El lubricante alcanza el cilindro por el salpicado del lubricante que escapa del cojinete de biela. El aceite es retenido en el cilindro por la rugosidad de la superficie y la viscosidad del aceite. Un rápido escurrimiento disminuye la lubricación del aro y del pistón por lo que los lubricantes de baja viscosidad dificulta la retención del lubricante.
Las presiones de combustión comprimen el aro contra el cilindro creando altísimas presiones que tienden a expulsar el aceite del cilindro (efecto de rascado). El aro debe equilibrar las distintas presiones para mantener un adecuado espesor de película de aceite (en especial en el primer aro) en todas las etapas del ciclo del motor. La forma del perfil del aro es fundamental para lograr el efecto “cuña de aceite” y crear un adecuado espesor de la película de aceite del aro contra el cilindro. El perfil debe mantenerse a pesar del desgaste y las torsiones que cambian el ángulo de ataque respecto al cilindro. La temperatura del aro es crítica para evitar la carbonización del aceite. El aro transfiere el calor al cilindro y de este al sistema de enfriamiento.
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En el gráfico se observa que el espesor de la película de aceite es crítico en el PMS/360 (el límite es 3 veces la rugosidad media del cilindrolínea roja). Es en ese punto donde se produce el mayor desgaste pero no la mayor fricción por ser nula la velocidad relativa entre aro-cilindro.
También las deformaciones dinámicas del cilindro producen puntos de localizados de alta fricción.
Los recubrimientos de cromo aplicados en la superficie de trabajo de los aros son muy populares y otorgan una aceptable resistencia al desgaste a un bajo costo. Pero poseen un alto coeficiente de fricción. En cambio los nuevos revestimientos permiten aplicar una variedad más importante de materiales que permiten reducir la fricción.
0,06
adherencia y poca resistencia al desgaste para altas cargas específicas. PVD (Physical Vapor Deposition) se aplica a la superficie del aro mediante la vaporización e ionización del metal aportado. Se puede recubrir la superficie con nitruros, carburos, óxidos, etc. Su espesor está en el rango de los 10 micrones con alta dureza, tensiones de compresiones residuales moderadas y buena adhesión. Permite aplicar una gran variedad de materiales. Recubrimientos DLC (Diamond Like Carbon) aplicados por diferentes técnicas otorga una excepcional baja fricción y pueden soportar temperatura de trabajo hasta 500°C. Durante el funcionamiento el grafito del recubrimiento se deposita sobre el cilindro disminuyendo la fricción del sistema aro-cilindro. Esta es una de las razones de su bajo coeficiente de fricción aún bajo condiciones límites. Los costos para su aplicación es la máxima limitación para su popularización. Las tensiones mecánicas internas en este recubrimiento (por la diferencia de la rigidez del DLC respecto al sustrato) aumentan el riesgo de rotura con espesores superiores a 10 µm. Por eso se recurre a recubrimientos multicapas para lograr una progresiva transición entre las características mecánicas del recubrimiento y el sustrato. - Una capa de adhesión de cromo muy delgada en la interface con el sustrato del material del aro - Una capa intermedia de tungsteno y carbono hidrogenado en la cual el carburo de tungsteno esta incrustado en forma de nano cristales. - La capa superior o de trabajo que es DLC amorfo. El espesor de la capa superior es un 50% del total del recubrimiento para mantener bajo control las tensiones residuales. La estructura consiste en una mezcla de grafito (sp2) con fases de diamante (sp3).
0,05 0,04
DLC
0,03
PVC
0,02
Cromado
a- C:H a- C:H:W
0,01 0 Coeficiente de Friccion
18%Cr-Steel ,nitrided
Spray Térmico (Thermal spray): un metal en polvo impacta sobre la superficie del aro a una temperatura moderada sinterizándose. Los materiales depositados (usualmente Molibdeno) tienen menor fricción que el cromo pero baja
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CILINDROS La superficie de trabajo del cilindro debe poseer una rugosidad adecuada para retener el lubricante pero sin agredir a los aros o a la pollera del pistón. Además debe tener una elasticidad controlada que evite puntos de alto contacto en las interferencias producidas por las deformaciones dinámicas del aro y del pistón. La rugosidad del cilindro se realiza con un bruñido empleando herramientas abrasivas con movimiento vertical y giratorio que crea un patrón de microranuras circunferenciales con una inclinación de 60/80 grados para retener el aceite. El proceso de bruñido deforma y desplaza el material de la estructura de la fundición gris. Su morfología es agresiva y puede afectar a los nuevos recubrimientos de los aros por lo cual se está reemplazando por otras tecnologías. Una de ellas consiste en fundir superficialmente los picos de la superficie premecanizada (aprox. 2µm) aplicando rayos laser que al enfriarse conforman una estructura cristalina con alto contenido de nitrógeno y con microscópicos orificios que retienen el aceite. Disminuye el desgaste y la fricción por tener una morfología más amable con el aro. Otro proceso consiste en la deposición sobre la superficie de trabajo de un recubrimiento de hierro (0,1 a 0,15 µm) que se funde en una atmosfera de un gas inerte. Crea una terminación ultra suave en el interior del cilindro (apariencia espejo) que de acuerdo a ensayos disminuye la fricción del aro/cilindro un 50%. Se forman pequeños poros que retienen el aceite.
Estos procesos han probado ser muy beneficiosos para trabajar con aros con recubrimientos PVD o DLC porque se eliminan los picos de la rugosidad típicos del bruñido que generan puntos de alta presión y zonas que superan los 500 grados de temperatura. Su costo es hasta el momento el mayor limitante al uso.
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PISTONES La reducción de la fricción de los pistones están focalizados en mejorar los recubrimientos y la lubricación de los pistones. Los recubrimientos en las polleras reducen la fricción e incrementan la durabilidad del pistón. Con espesores de 20 µm son aplicados en forma de lacas desarrolladas especialmente para cada aplicación. Existen lacas diferentes para los motores según sus características y la lubricidad de los combustibles usados. Básicamente son óxidos metálicos y lubricantes solidos embebidos en resinas que reducen la fricción de la pollera del pistón hasta un 20%. También se usan polímeros reforzados con fibras de carbono conteniendo grafito o polímeros halogenados con Níquel. Se usan tanto en los pistones de aluminio como en los de acero. La fricción de la pollera depende de la cantidad de aceite existente en el cilindro en cada carrera y la forma en cómo se distribuye en la superficie de la pollera (6) y en el huelgo del pistón con el cilindro (7).
Durante la carrera de ADMISION el lubricante se introduce por la parte inferior de la pollera y aunque no es el momento de mayor fricción tiene una gran influencia la forma como se distribuye el aceite en la superficie de la pollera al llegar al PMI (al finalizar esta carrera) e iniciar la de COMPRESION. En la carrera de COMPRESION el aceite tiende a escurrirse y poco aceite es retenido en la parte inferior de la pollera produciendo un pico en la fricción al alcanzar el PMS (ver figura). En cambio en la EXPANSION la pollera se lubrica nuevamente por el aceite retenido en el cilindro que ingresa por la parte inferior. Es importante la correcta y abundante lubricación en esta etapa porque la cara de empuje del pistón soporta altas cargas con riesgo de adhesión (seizure). En la carrera de ESCAPE la parte superior de la pollera posee abundante aceite por el “rascado” de los aros lo que permite que se distribuya en la pollera.
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El perfil de la pollera debe ayudar a distribuir el aceite y evitar perturbar su flujo vertical en las distintas carreras. Para entender los mecanismos de lubricación se realizaron ensayos con cinco diferentes perfiles de pollera con la misma holgura en frio (30 µm). Las zonas marcadas en azul oscuro en cada pistón son recesos de 35 a 40 µm en la pollera (ver figura adjunta) con la finalidad de evaluar la lubricación en la pollera.
Las conclusiones de este estudio indican que la fricción del pistón depende de la manera que cada perfil influye en la distribución y almacenaje del aceite en cada carrera. Es esencial para reducir la fricción mantener una película de aceite uniforme controlando el movimiento vertical del aceite sin perturbaciones.
El diseño AV304 con sus dos recesos en la parte superior e inferior de la pollera presenta la menor fricción en especial en el PMS debido a su capacidad de distribuir mejor el lubricante (más a altas velocidades).
Se observa en el grafico una gran mejora en la reducción de la Fricción Media en el diseño AV304 en especial en la carrera de COMPRESION. También se comprobó que la reducción del área de contacto de la pollera no produce menor fricción porque el aceite es expulsado fácilmente produciendo una lubricación límite. Este efecto se maximiza en ensayos con aumento progresivos de la carga. La optimización del perfil de la pollera es una gran oportunidad para reducir la fricción del pistón en especial en la carrera TRABAJO.
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La influencia de las holguras y de la elasticidad de la pollera en la fricción se muestra en él estudió de los pistones (6) mostrados en la figura.
Tipo F
Tipo S
Tipo E Pistones con diferente diseño de la estructura de soporte de la pollera fueron ensayados. El tipo E es el diseño más clásico con apoyos de pollera rígidos que limitan las flexiones. Los dos restantes (F y S) son variantes con mayor flexibilidad. Fueron ensayados sin recubrimientos para evitar contaminar los resultados. En cada grafico (uno por diseño) se indicada con diferentes colores los valores de fricción para luces en la pollera de 10 µm (rojo), 30 µm (celeste) y 50 µm (azul). El menor huelgo (10µm - rojo) aumenta el pico de fricción en el PMS/TDC en todos los casos.
También se observa que a diferentes cargas y velocidades y con la holgura óptima (30µm) el diseño E (línea Verde) posee el mayor pico de fricción en el PMS (0 /360 grado).
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El resumen de los valores de la Fricción Media para los tres diseños en función de las holguras indica claramente la mayor fricción en el diseño E. Pero el ruido o NVH (Noise/Vibration/Hardness) que se produce especialmente al cambiar el pistón la cara de apoyo (slap) disminuye con los huelgos y con el diseño más rígido (E). La elección del diseño se debe realizar buscando un compromiso entre menor fricción y NVH (suavidad de marcha y ausencia de ruidos y asperezas del motor).
La conclusión de este estudio se resumen en el gráfico adjunto donde se observa las razones del diseño elegido (S por su bajo NVH y fricción aceptable) con una holgura de 30 µm. Otra conclusión es que el aumento de la velocidad mejora la lubricación (reduce la fricción) pero aumenta el ruido mientras que el aumento de carga aumenta la fricción y el ruido.
La mayor fricción y menor ruido del diseño E se debe a que la menor elasticidad de la pollera mantiene la holgura estática en todo momento en cambio los otros diseños al deformarse aumentan la luz efectiva en funcionamiento (mas holgura menos fricción y más ruido). Además la mayor elasticidad de la pollera permite a la película de aceite actuar en un área mayor que soporta mejor la alta carga en la EXPANSION. Pero la elasticidad de la pollera crea concentración de tensiones en las áreas de flexión que producen fatiga y fisuras en el pistón por lo cual tensiones deben ser distribuidas muy progresivamente hacia el área del alojamiento del perno.
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PERNOS de PISTON La lubricación del perno se crea por un efecto de capilaridad que permite al lubricante ingresar en el huelgo del perno con su alojamiento (5 a 10 µm). La película de aceite que se crea solo puede soportar las cargas del perno por la demora del aceite en escurrirse y debido a que el ciclo de carga es corto. Antes que el aceite se termine de escurrir el ciclo finaliza y la carga se revierte ingresando nuevamente el lubricante. Pero a mayores cargas más rápido se escurre el aceite. Los pernos de pistón por las cargas dinámicas y las presiones de la combustión transmitidas desde el pistón a la biela sufren deformaciones a la flexión generando puntos de alto contacto en los bordes interiores de los alojamientos en el pistón. En esos puntos la película de aceite puede desaparecer antes del cambio de ciclo porque el aceite es expulsado muy rápidamente generando fricción y desgaste.
Las soluciones usuales es aumentar la holgura de los alojamientos de perno en el borde interior maquinándolos con perfiles de forma no cilíndricos (aflautados) y regulando la deformación del perno con un diámetro interior variable. También recubrir los pernos con DLC es un complemento exitoso para reducir la fricción y el potencial efecto destructivo del contacto metálico en esos puntos.
Bibliografia: 1 -Piston Ring Coatings and Engine Friction-Federal Mogul Burscheid 2 -Piston Ring Coatings-Engine Technology International – September 2013 3 -Kolbenringhandbuch-Goetze 4 -Modelling of Piston Rings Wear Behaviour-Mahle COFAP 5 -Madden D. et al.,’ Part 1: Piston Friction and Noise Study of Three Different Piston Architectures for an Automotive Gasoline Engine ‘SAE Paper No.200601-0427, 2006’ 2. Kwang-soo K. et al., 6 - Part 2:The Effects of Lubricating Oil Film Thickness Distribution on Gasoline Engine Piston Friction’ SAE Paper No. 2007-01-1247’ 7 - A Study of Friction and Lubrication Behavior for Gasoline Piston Skirt Profile Concepts Kwang-soo Kim, Paras Shah Federal-Mogul Corporation Masaaki Takiguchi / Shuma Aoki Musashi Institute of Technology
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