tesis-amortiguadores

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA Sede Matriz Cuenca FACULTAD DE INGENIERÍAS CARRERA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

Tesis previa a la obtención del Título de: Ingeniero Eléctrico

TEMA:

“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE AMORTIGUADOR MAGNETOREOLÓGICO”

AUTOR: CÉSAR PATRICIO GUZMÁN MAYORGA

DIRECTOR: ING. PAÚL ÁLVAREZ LLORET

CUENCA-ECUADOR 2007

Declaración Expresa

EL DESARROLLO Y CONTENIDO DE ESTA TESIS ES RESPONSABILIDAD DEL AUTOR:

Cuenca, 5 de Marzo del 2007

___________________________________________ CÉSAR PATRICIO GUZMÁN MAYORGA

II

Certificación

Certifico que bajo mi dirección el proyecto fue realizado por el señor: César Patricio Guzmán Mayorga

…………………………………....... Ing. Paúl Álvarez Lloret. DIRECTOR

III

Agradecimiento

Mi más sincero agradecimiento a todas las personas que directa e indirectamente intervinieron en la realización del presente trabajo entre ellas: al Ing. Flavio Quizhpi, Ing. Juan Pablo Bermeo, Ing. Vinicio Sánchez, Ing. Frank Reinoso Docentes de UPS sede matriz Cuenca, a la Lcda. Carmita Bravo Bibliotecaria, un agradecimiento especial al Ing. Paúl Álvarez Lloret Director del presente trabajo y a todos los familiares y amigos que brindaron su apoyo incondicional en la ejecución de este proyecto.

IV

Dedicatoria

Dedico el presente trabajo a mis padres y hermanos, en especial a mi hermano Flavio Ismael quien me brindo su apoyo incondicional durante mi vida estudiantil universitaria. También dedico este trabajo al Dr. Luciano Bellini un amigo a quien admiro y respeto.

V

Índice general

INTRODUCCIÓN .................................................................................................. XIII

CAPITULO I FLUIDOS MAGNETOREOLÓGICOS Contenido

Página

1 FLUIDOS MAGNETOREOLÓGICOS. .............................................................................. 2 1.1 GENERALIDADES.................................................................................................... 2 1.2 PERCEPCIÓN Y TOLERANCIA DEL CUERPO HUMANO A

LAS

VIBRACIONES. ............................................................................................................... 5 1.3 ELEMENTOS DE LA SUSPENSIÓN. ...................................................................... 7 1.3.1 CLASES DE MUELLES……………………………………………………9

a. Ballestas ........................................................................................ ...9 b. Muelles helicoidales....................................................................... 11 c. Barras de torsión............................................................................. 12 1.3.2 BARRA ESTABILIZADORA…………………………………………….12 1.3.3 AMORTIGUADORES…………………………………………………….13

a. Amortiguador bitubo. ..................................................................... 15 b. Amortiguadores monotubo. ........................................................... 18 c. Amortiguadores magnetoreológicos............................................... 19 1.4 TIPOS DE FLUIDOS................................................................................................ 20 1.4.1 FLUIDOS NEWTONIANOS……………………………………………...20 1.4.2 FLUIDOS NO-NEWTONIANOS…………………………………………22

a. Fluidos independientes del tiempo de aplicación........................... 22 a.1 Fluidos sin esfuerzo umbral ...................................................... 22 a.1.1 Fluidos pseudoplásticos (SHEAR-THINNING) ............. 22 a.1.2 Fluidos dilatantes (Shear-thickening)............................... 23 a.2 Fluidos con esfuerzo umbral, llamados plásticos...................... 24 b. Fluidos dependientes del tiempo de aplicación.............................. 25 b.1 Fluidos tixotrópicos................................................................... 26 b.2 Fluidos reopécticos ................................................................... 28 1.4.3 FLUIDO VISCOELÁSTICO……………………………………………...30 1.5 MATERIALES INTELIGENTES............................................................................. 30 1.5.1 MATERIALES ELECTRO Y MAGNETOACTIVOS……………………30

a. Materiales magnetostrictivos y electrostrictivos ............................ 30 b. Materiales piezoeléctricos.............................................................. 31 c. Materiales electroreológicos y magnetoreológicos ........................ 31 1.6 FLUIDOS MAGNETOREOLÓGICOS .................................................................... 31 1.6.1 Modelado del Fluido magnetoreológico…………………………………...33

VI

Índice general 1.7 PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS ..................................................................... 35

Contenido

Página

1.7.1 Propiedades reológicas …………………………………………………….35 1.7.2 Propiedades magnéticas……………………………………………………35 1.8 APLICACIONES ....................................................... ...……………………………36 1.8.1 Robótica……………………………………….…………………………...36 1.8.2 Automotriz………………………………………………………………....36 1.8.3 Construcciones civiles……………………………………………………..37 1.8.4 Dispositivos y amortiguadores magnetoreológicos……………………….37

CAPITULO II OBTENCIÓN DEL FLUIDO MAGNETOREOLÓGICO Contenido

Página

2 OBTENCIÓN DEL FLUIDO MAGNETOREOLÓGICO. ............................................... .40 2.1 TIPOS DE FLUIDOS CONVENCIONALES PARA AMORTIGUADORES. ....... 40 2.1.1 NORMA GL ATF-1 DEXRON III ……………...………………………..40 2.2 OBTENCIÓN DE LAS PARTÍCULAS DEL MATERIAL MAGNÉTICO. ........... 42 2.3 MEZCLA DEL FLUIDO Y DE LAS PARTÍCULAS DEL MATERIAL MAGNÉTICO. ................................................................................................................ 47 2.3.1 PROCESO DE MEZCLADO……………………………………………...47 2.4 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DEL FLUIDO MAGNETOREOLÓGICO. 48

CAPITULO III DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE AMORTIGUADOR MAGNETOREOLÓGICO Contenido

Página

3 DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN PROTOTIPO DE AMORTIGUADOR MAGNETOREOLÓGICO .................................................................................................... 52 3.1 DISEÑO PARA LA ADAPTACIÓN DE UN AMORTIGUADOR COMERCIAL ESTÁNDAR.................................................................................................................... 52 3.1.1 DISEÑO DE LA GEOMETRÍA DE UN AMORTIGUADOR MR………52 3.1.2 ADAPTACIÓNES MECANICAS EN EL AMORTIGUADOR………….56

VII

Índice general 3.2 DISEÑO Y CONSTRUCCION DEL ELECTROIMÁN. ......................................... 63

Contenido

Página

3.2.1 CALCULO DEL ELECTROIMAN……………………………………….68 3.3 DISEÑO DEL CIRCUITO ELÉCTRICO DE ALIMENTACIÓN PARA EL ELECTROIMÁN. ........................................................................................................... 78 3.4 LLENADO DEL FLUIDO MAGNETOREOLÓGICO DENTRO DEL AMORTIGUADOR. ....................................................................................................... 81

CAPITULO IV PRUEBAS Y MEDICIONES Contenido

Página

4 PRUEBAS Y MEDICIONES. ............................................................................................ 84 4.1 PRUEBAS Y MEDICIONES EN EL AMORTIGUADOR CON 20% DE LIMALLAS..................................................................................................................... 87 4.2 PRUEBAS Y MEDICIONES EN EL AMORTIGUADOR CON 30% DE LIMALLAS..................................................................................................................... 93 4.3 PRUEBAS Y MEDICIONES EN EL AMORTIGUADOR CON 40% DE LIMALLAS..................................................................................................................... 98 4.4 DETERMINACION DE LA PERMEABILIDAD MAGNETICA DEL FLUIDO MR……………………………………………………………………………………..103

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES............................................................... 106 BIBLIOGRAFÍA................................................................................................................ 110

ANEXOS

VIII

Índice de tablas Capitulo I Contenido

Página

Tabla1.1 Propiedades de los fluidos MR. .................................................................. 36

Capitulo II Contenido

Página

Tabla 2.1 % de volúmenes de aceite y limallas de hierro .......................................... 47

Capitulo III Contenido

Página

Tabla 3.1 Datos magnéticos para el cálculo del electroimán. .................................... 72 Tabla 3.2 Datos geométricos para el cálculo del electroimán.................................... 73 Tabla 3.3 Datos eléctricos para el cálculo del electroimán........................................ 73 Tabla 3.4 Valores para la construcción del electroimán. .......................................... 73 Tabla 3.5 Dimensiones de la bobina para la construcción del electroimán. ............. 73

Capitulo IV Contenido Página Tabla 4.1 Densidad de los fluidos magnetoreológicos............................................... 86 Tabla 4.2 Mediciones y cálculos de datos del amortiguador con 20% de limallas... 87 Tabla 4.3 Mediciones y cálculos de datos del amortiguador con 30% de limallas... 93 Tabla 4.4 Mediciones y cálculos de datos del amortiguador con 40% de limallas... 98 Tabla 4.5 Magnitudes de Bg, µ g y Hg. ...................................................................... 105

IX

Índice de figuras Capitulo I Contenido

Página

Figura 1.1 Oscilaciones del cuerpo del vehículo ......................................................... 4 Figura 1.2 Esquema de suspensión .............................................................................. 8 Figura 1.3 Conjunto de la ballesta y fijaciones. ......................................................... 10 Figura 1.4 Clases de muelles helicoidales: a. Flexibilidad constante; b, c, d. Flexibilidad variable. ............................................................................... 11 Figura 1.5 Barra de torsión ........................................................................................ 12 Figura 1.6 Barra estabilizadora .................................................................................. 13 Figura 1.7 Amortiguador hidráulico telescópico ...................................................... 14 Figura 1.8 Estructura de un amortiguador bitubo doble efecto.................................. 16 Figura 1.9. Esquema simplificado de un amortiguador monotubo ........................... 18 Figura 1.10 Curva de Fluidez de fluidos Newtonianos........................................... 21 Figura 1.11 Curva de Viscosidad fluidos Newtonianos.......................................... 21 Figura 1.12 Curva de Fluidez fluidos Pseudoplásticos. ........................................... 22 Figura 1.13 Curva de Viscosidad de fluidos Pseudoplásticos. .................................. 23 Figura 1.14 Curva de Fluidez de fluidos Dilatantes................................................... 23 Figura 1.15 Curva de Viscosidad de Fluidos Dilatantes ......................................... 24 Figura 1.16 Curva de Fluidez de fluidos Plásticos..................................................... 24 Figura 1.17 Curva de Viscosidad de fluidos Plásticos............................................... 25 Figura 1.18 Curva de Fluidez de fluidos Tixotrópico. ............................................... 26 Figura 1.19 Curva de Viscosidad de fluidos Tixotrópico .......................................... 26 Figura 1.20 Fase Dispersa tipo Castillo de Cartas ..................................................... 27 Figura 1.21 Fase Dispersa tipo armadura.................................................................. 27 Figura 1.22 Fase Dispersa tipo estructura de perlas encadenadas. ............................ 28 Figura 1.23 Curva de Fluidez de Fluidos Reopécticos ............................................ 29 Figura 1.24 Curva de Viscosidad de fluidos Reopécticos. ....................................... 29 Figura 1.26 Formación de cadenas paralelas al campo magnético. ........................... 32 Figura 1.27 Modelo visco-plástico de los fluidos MR.............................................. 33 Figura 1.28 Puente de Lago Dong Ting en China está equipado con aislantes de Movimiento magnetoreológico para contrarrestar las ráfagas de viento. Imagen cortesía Lord Corporation. ....................................................... 37 Capitulo II Contenido

Página

Figura 2.1 Limadora automática. ............................................................................... 43 Figura 2.2 Proceso de limado y obtención de limallas de hierro. .............................. 43 Figura 2.3 Proceso de limado y obtención de limallas de hierro. .............................. 44 Figura 2.4 a Pulverizado de las limallas de hierro. .................................................... 45 Figura 2.4 b Consistencia de las limallas de hierro.................................................... 45 Figura 2.5 a Filtrado de las limallas de hierro............................................................ 46 Figura 2.5 b Filtrado de las limallas de hierro. .......................................................... 46 Figura 2.6 Fluido Magnetoreológico.......................................................................... 48 Figura 2.7 a . Prueba visual de funcionamiento del fluido MR. .............................. 49 Figura 2.7 b Prueba visual de funcionamiento del fluido MR. .................................. 49 Figura 2.7 c Prueba visual de funcionamiento del fluido MR. .................................. 50

X

Índice de figuras Capitulo III Contenido

Página

Figura 3.1 Circuito magnético del amortiguador MR................................................ 53 Figura 3.2 Procedimiento de corte del cilindro del amortiguador. ............................ 57 Figura 3.3 Componentes del amortiguador bitubo..................................................... 57 Figura 3.4 Núcleo del electroimán. .......................................................................... 58 Figura 3.5 Cojinetes de bronce colocados en la cabeza del pistón para centrado...... 59 Figura 3.6 Piezas en las que realiza el trabajo de roscado. ........................................ 60 Figura 3.7 Proceso de roscado en la tapa del amortiguador....................................... 60 Figura 3.8 Proceso de roscado el cilindro exterior y la tapa del amortiguador.......... 61 Figura 3.8 Acoplamiento del cilindro y la tapa del amortiguador. ............................ 61 Figura 3.9 Retenedor de aceite y tapa del amortiguador............................................ 62 Figura 3.10 Circuito magnético en serie. ................................................................... 63 Figura 3.11 Recorrido del flujo magnético. .............................................................. 66 Figura 3.12 Dimensiones del circuito magnético del amortiguador MR. .................. 68 Figura 3.13 Dimensiones del núcleo del electroimán. ............................................... 69 Figura 3.13 Superficie lateral de la culata del núcleo. ............................................... 70 Figura 3.14a Electroimán del amortiguador MR ....................................................... 74 Figura 3.14 b Electroimán del amortiguador MR ...................................................... 74 Figura 3.15a Lord Corporation Engineering Note (1999b). ...................................... 76 Figura 3.15b Lord Corporation Engineering Note (1999b). ...................................... 77 Figura 3.15c Lord Corporation Engineering Note (1999b) ....................................... 77 Figura 3.16a Circuito eléctrico supresor de voltajes transitorios............................... 79 Figura 3.16b Operación normal de funcionamiento. ................................................. 80 Figura 3.16c Operación cuando se produce un exceso de voltaje.............................. 80 Figura 3.17 Colocación de la cinta de teflón alrededor del cilindro. ......................... 81 Figura 3.18 a Llenado parcial del amortiguador con fluido MR............................... 82 Figura 3.18 b Llenado total del amortiguador con fluido MR. .................................. 82 Capitulo IV Contenido

Página

Figura 4.1 Sistema para medir las variables mecánicas y eléctricas.......................... 85 Figura 4.2 Curva Voltaje-Viscosidad dinámica 20%................................................. 88 Figura 4.3 Curva Voltaje-Viscosidad cinemática 20%. ............................................. 88 Figura 4.4 Curva Voltaje-Velocidad de desplazamiento 20%. .................................. 89 Figura 4.5 Curva Corriente-Viscosidad dinámica 20%. ............................................ 89 Figura 4.6 Curva Corriente-Viscosidad cinemática 20%........................................... 90 Figura 4.7 Curva Corriente-Velocidad de desplazamiento 20%................................ 90 Figura 4.8 Razón de cambio de velocidad-Esfuerzo cortante 20%. .......................... 91 Figura 4.9 Razón de cambio de velocidad-Esfuerzo cortante (ampliada) 20%. ........ 91 Figura 4.10 Curva Voltaje-Viscosidad dinámica 30%............................................... 94 Figura 4.11. Curva Voltaje-Viscosidad cinemática 30%. .......................................... 94 Figura 4.12 Curva Voltaje-Velocidad de desplazamiento 30%. ................................ 95 Figura 4.13 Curva Corriente-Viscosidad dinámica 30%. .......................................... 95 Figura 4.14 Curva Corriente-Viscosidad cinemática 30%......................................... 96 Figura 4.15 Curva Corriente-Velocidad de desplazamiento 30%.............................. 96

XI

Índice de figuras Contenido

Página

Figura 4.16 Razón de velocidad de cambio-Esfuerzo cortante 30%. ........................ 97 Figura 4.17 Razón de velocidad de cambio-Esfuerzo cortante (ampliada) 30%. ...... 97 Figura 4.18 Curva Voltaje-Viscosidad dinámica 40%............................................... 99 Figura 4.19 Curva Voltaje-Viscosidad cinemática 40%. ........................................... 99 Figura 4.20 Curva Voltaje-Velocidad de desplazamiento 40%. .............................. 100 Figura 4.21 Curva Corriente-Viscosidad dinámica 40%. ........................................ 100 Figura 4.22 Curva Corriente-Viscosidad cinemática 40%....................................... 101 Figura 4.23 Curva Corriente-Velocidad de desplazamiento 40%............................ 101 Figura 4.24 Curvas Razón de velocidad de cambio-Esfuerzo cortante 40%. .......... 102 Figura 4.24 Curvas Razón de velocidad de cambio-Esfuerzo cortante 40% (ampliada). ............................................................................................. 102 Figura 4.25 Medición de la fuerza de atracción del electroimán. ............................ 103 Figura 4.26 Medición de la fuerza de atracción del electroimán para diferentes valores de corriente......………………………………………………...104

XII

Amortiguador magnetoreológico

INTRODUCCIÓN Las vibraciones mecánicas no deseadas son un problema que se presenta en la mayoría de las maquinarias. En el sector automotriz las vibraciones producidas tanto por los elementos giratorios del motor como por las irregularidades del camino por el cual circula el automóvil, generando oscilaciones que afectan a la carrocería y a los ocupantes del mismo. Estas oscilaciones en primera instancia son atenuadas por el sistema de suspensión del automóvil que hace las vibraciones no sean tan bruscas, pero el tiempo en que se mantienen estas oscilaciones no es el deseado. Para atenuar las vibraciones en el menor tiempo posible se utiliza el amortiguador, y en el mercado se encuentra una variedad que satisfacen la mayoría de las necesidades de confort y seguridad. En los últimos años se ha estado desarrollando los amortiguadores magnetoreológicos, cuyas aplicaciones no están limitadas al área automotriz, también se los diseña para las construcciones civiles, robótica. En nuestro país casi no se tiene conocimiento de lo que es un fluido magnetoreológico,

y por consiguiente, un amortiguador magnetoreológico. El

propósito de esta tesis es dar a conocer este tipo de fluido, como obtenerlo y aplicación que se ha hecho en el diseño y construcción de un prototipo de amortiguador magnetoreológico, que este al alcance de la mayoría del mercado ecuatoriano, ya que, el precio de este tipo de dispositivos es excesivo y solo se lo encuentra para marcas de automóviles de lujo. En el capitulo I se da una explicación general de el sistema de suspensión de los vehículos, haciendo énfasis en la constitución mecánica del amortiguador y su funcionamiento. Además se explica brevemente los tipos de fluidos, enfocándose con más detalle en los fluidos magnetoreológicos y sus aplicaciones. En el capitulo II se explica los pasos para obtener un fluido MR (magnetoreológico). En el capitulo III se centra en el diseño y construcción del prototipo, tanto de la construcción del electroimán y adaptaciones mecánicas realizadas al amortiguador. En el capitulo IV se realizan las mediciones y pruebas que darán las características de funcionamiento y comportamiento del amortiguador. Finalmente se realizan las conclusiones y recomendaciones.

XIII

Amortiguador magnetoreológico

CAPITULO I

1

Amortiguador magnetoreológico

1 FLUIDOS MAGNETOREOLÓGICOS.

1.1 GENERALIDADES. El amortiguador es un dispositivo mecánico, cuya función es transformar los movimientos vibratorios producidos por alguna fuente en otros más lentos, y al mismo tiempo de menor amplitud y duración. Una de las principales aplicaciones es la suspensión de un vehículo, donde generalmente se utiliza un amortiguador hidráulico, que atenúa las perturbaciones experimentadas por el auto al desplazarse por la carretera, manteniendo las ruedas en contacto con la misma, asegurando el confort en la marcha y la estabilidad del vehículo. Dentro de estos dos objetivos principales, se persigue además lo siguiente: 1.

1

Absorber las desigualdades del terreno, aislando a la carrocería de las

irregularidades de la carretera. 2. Mantener la posición de los neumáticos y la geometría de la dirección en perfecto estado de funcionamiento respecto a la superficie de la carretera. 3. Reaccionar a las fuerzas de control que se transmiten desde las ruedas: fuerzas longitudinales (aceleración y frenado), fuerzas laterales (en el giro), y pares de dirección y frenado. 4. Resistir el balanceo de la carrocería. 2

Todo el sistema de suspensión del vehículo tiene como función el absorber o atenuar

las reacciones producidas en las ruedas por las irregularidades del terreno, asegurando la comodidad de los pasajeros, la protección de la carga y los componentes mecánicos del vehículo. Este funcionamiento se obtiene con la combinación de los neumáticos, la elasticidad de los asientos, y el sistema elástico de 1

LUQUE, Pablo. “Ingeniería del automóvil: sistemas y comportamiento dinámico”, Thomson, España, 2004. Primera edición. Pag 102. 2

LUQUE, Pablo. “Ingeniería del automóvil: sistemas y comportamiento dinámico”, Thomson, España, 2004.

Primera edición. Pag 103.

2

Amortiguador magnetoreológico suspensión. Para pequeñas irregularidades de la carretera, son los neumáticos los encargados de absorber las mismas, pero, su misión más importante es la de garantizar el agarre sobre la carretera y una marcha silenciosa del vehículo. Cuando las irregularidades de la carretera son grandes, entra en acción el sistema de suspensión elástica generando oscilaciones en las ruedas, las mismas que serán más grandes mientras más blanda sea el sistema. Las oscilaciones generadas por el sistema de suspensión deben ser amortiguadas rápidamente para asegurar el contacto de las ruedas con el terreno. 3

Se pueden diferenciar tres tipos de oscilaciones (producidas por las irregularidades

del terreno o por una conducción defectuosa, y a una carga unilateralmente distribuida): 1. Oscilaciones de empuje, que son producidas al pasar sobre un terreno ondulado. 2. Oscilaciones de cabeceo, producidas en los frenados bruscos. 3. Oscilaciones de bamboleo, producidas al tomar las curvas a alta velocidad. En la figura 1.1 se muestra los tipos de oscilaciones descritas anteriormente. 4

Los automóviles viajan a elevada velocidad, y por ello están sometidos a un amplio

espectro de vibraciones. Estas vibraciones se transmiten a los pasajeros de forma táctil, visual o audible. El término vibraciones se usa normalmente en referencia a vibraciones táctiles y visuales, mientras que las vibraciones audibles se definen como ruido. El espectro de vibraciones se puede dividir de acuerdo con la frecuencia y clasificarlas como vibraciones (0-25 Hz) y ruido (25-2500 Hz). 5

Para entender el entorno de vibración del vehículo hay que analizar las fuentes de

excitación de las vibraciones, la respuesta del vehículo, la percepción humana y tolerancia a las vibraciones, ya que el ambiente generado por las vibraciones es uno

3

Varios Autores, “Mecánica del Automóvil”, GTZ. Pág 109. LUQUE, Pablo. “Ingeniería del automóvil: sistemas y comportamiento dinámico”, Thomson, España, 2004. Primera edición. Pág 103. 4

5

LUQUE, Pablo. “Ingeniería del automóvil: sistemas y comportamiento dinámico”, Thomson, España, 2004. Primera edición. Pág 103.

3

Amortiguador magnetoreológico de los criterios más importantes por lo que la gente juzga el diseño y la calidad de construcción del auto.

1 2 3

1. 2. 3.

3

1

Oscilaciones de empuje. Oscilaciones de cabeceo. Oscilaciones de bamboleo

2

Figura 1.1 Oscilaciones del cuerpo del vehículo

Si se toma en consideración únicamente a las frecuencias verticales, la gama existente puede ser dividida en tres tipos: •

1 – 3 Hz: Correspondiente a las frecuencias naturales de la carrocería.

•

5 – 40 Hz: Frecuencias de oscilación de las masas no suspendidas (generalmente entre 10 y 20 Hz).

•

40 – 250 Hz: Oscilaciones producidas en las masas no suspendidas, debidas a las vibraciones naturales en los neumáticos.

6

Existen múltiples fuentes de excitación por las que se originan las vibraciones en el

vehículo, estas fuentes pueden dividirse en dos grandes grupos: 1. Ajenas al vehículo o indirectas: son las que se transmiten a la masa suspendida a través de las masas no suspendidas y cuyo principal exponente es el estado del terreno, es decir, las irregularidades por donde tiene que desplazarse el vehículo.

6

LUQUE, Pablo. “Ingeniería del automóvil: sistemas y comportamiento dinámico”, Thomson, España, 2004. Primera edición. Pág 104.

4

Amortiguador magnetoreológico 2. Propias del vehículo o directas: son las ejercidas sobre la masa suspendida por elementos contenidos o apoyados en ella, es decir, son fuentes de excitación de vibraciones que están incorporadas al propio vehículo y que surgen principalmente de componentes giratorios o rotativos del mismo, como

son

los

conjuntos

llantas/neumáticos,

el

sistema

de

tracción/transmisión, el motor y las acciones aerodinámicas.

1.2 PERCEPCIÓN Y TOLERANCIA DEL CUERPO HUMANO A LAS VIBRACIONES. Existen muchos estudios e investigaciones realizadas para determinar el rango de frecuencias de vibraciones a las que el cuerpo humano responden con síntomas de fatiga, malestar, etc. al conducir o circular en un vehículo. Hay que considerar que existe el riesgo de que alguna zona del cuerpo entre en resonancia con la frecuencia de excitación; claro esta que cada cuerpo responde diferente a las vibraciones y según el sentido de éstas. 7

El cabeceo produce sensación de náuseas y alteraciones en el laberinto auditivo que

modifica el sentido del equilibrio. Si el aparato vestibular y el líquido coclear del oído interno están sometidos de forma continua a aceleraciones lineales y/o angulares de frecuencias entre 0.5 y 0.75 Hz, se produce vértigo y mareo. Las frecuencias de 5 - 6 Hz causan fatiga general, debida a la resonancia de los músculos. Los objetos de la región visceral se ven afectados por frecuencias entre 5 y 7 Hz. La entrada en resonancia del diafragma (4-8 Hz) o la cara frontal del tórax (10-50 Hz) produce dificultades respiratorias. La cabeza y el cuello son muy sensibles a las vibraciones que varían entre los 18 y 20 Hz, y las frecuencias del orden de los 20 Hz son perjudiciales para las vértebras cervicales.

7

LUQUE, Pablo. “Ingeniería del automóvil: sistemas y comportamiento dinámico”, Thomson, España, 2004. Primera edición. Pág 119.

5

Amortiguador magnetoreológico 8

En función de los experimentos realizados, se ha llegado a unas frecuencias de

resonancias para otras partes del cuerpo que son: •

Pierna flexionada (sentado): 2 Hz

•

Pierna rígida: 20 Hz

•

Torso superior (hombro): 4-5 Hz

•

Antebrazo: 5-10 Hz

•

Columna vertebral (axial): 10-12 Hz

•

Brazo: 16-30 Hz

•

Mano: 30-50 Hz

•

Globo ocular: 20-90 Hz

La vibración transmitida al globo ocular produce una pérdida de agudeza en la visión. 9

En general, parece que las frecuencias verticales que resultan más incómodas para el

ser humano se encuentran entre 20 y 200 Hz, aunque la fatiga aparece más rápidamente cuando las vibraciones están entre 4 y 8 Hz o por debajo de 0.75 Hz, y en ellas pueden aparecer vértigo y mareo. Las frecuencias laterales o longitudinales en el mismo rango también molestan porque alteran el mecanismo de equilibrio del oído interno. En conclusión se ha determinado que las frecuencias aceptables están entre 1 y 2 Hz, jugando el asiento un papel fundamental en la sensación de confort, cuyos muelles deben tener sus frecuencias naturales alejadas de las solicitaciones transmitidas al casco de la carrocería, para evitar problemas de resonancias.

8

LUQUE, Pablo. “Ingeniería del automóvil: sistemas y comportamiento dinámico”, Thomson, España, 2004. Primera edición. Pág 120. 9 LUQUE, Pablo. “Ingeniería del automóvil: sistemas y comportamiento dinámico”, Thomson, España, 2004. Primera edición. Pág 120.

6

Amortiguador magnetoreológico

1.3 ELEMENTOS DE LA SUSPENSIÓN. En la figura 1.2 se muestra de forma esquemática la composición de la suspensión. 10

Las masas no suspendidas 2 están constituidas por las ruedas, los frenos, los

puentes rígidos, y la parte de las suspensiones, bielas o brazos de empuje y reacción, varillaje de la dirección, etc. los cuales de unen por un extremo al conjunto de la rueda y el otro al bastidor o la carrocería. El neumático 1 interpuesto entre las masas no suspendidas y el suelo. Las masas suspendidas 4 están integradas por el bastidor, el grupo motopropulsor, el diferencial suspendido (en un caso), los mandos de dirección y frenos, la carrocería, los pasajeros, etc. y parte de los elementos citados anteriormente. Los muelles 3 que están interpuestos entre las masas no suspendidas 2 y las suspendidas 4 y los amortiguadores 7, que son los órganos elásticos de lo que se conoce como sistema de suspensión. El almohadillado 5 y la forma del asiento 6 contribuyen con la suspensión a proporcionar comodidad al pasajero. Como se explico anteriormente las irregularidades pequeñas en las carreteras son absorbidas por los neumáticos sin llegar a afectar la suspensión, así mismo los esfuerzos laterales como las curvas y los longitudinales como aceleraciones y frenadas, son en buena parte atenuadas por la flexibilidad transversal y longitudinal de los neumáticos. 11

Cuando las irregularidades son grandes, los impactos que sufren las ruedas

provocan una compresión o una distensión en los muelles de la suspensión, dependiendo si es una saliente o un bache de la carretera. En condiciones en las que el vehículo se mantiene estático, el peso del mismo gravita en los muelles, sometiéndolos a un prensado manteniendo al sistema en equilibrio. Hay que tomar en

10 11

Varios Autores. “Manual CEAC del Automóvil”, Editorial Ceac, 2002. Pág 658 Varios Autores. “Manual CEAC del Automóvil”, Editorial Ceac, 2002. Pág 660.

7

Amortiguador magnetoreológico consideración que las masas suspendidas, debido a su inercia, tienden a seguir su trayectoria inicial.

6. Asiento 5. Almohadillas del asiento 4. Masas suspendidas

3. Muelle de suspensión

7. Amortiguador

2. Masas no suspendidas 1. Neumático

Figura 1.2 Esquema de suspensión

Al pasar la rueda sobre una saliente es impulsada hacia arriba, almacenando energía en el muelle comprimido, a continuación, el muelle se expande y hace subir la carrocería. Como la energía transmitida a la carrocería (masas suspendidas) es la generada por la rueda, y aquella tiene un peso muy superior al de las masas no suspendidas, su recorrido vertical será muy inferior al de la rueda, esta es una de las razones muy importantes por las que el peso de las masas no suspendidas sea el menor posible. Después de que la energía acumulada en el muelle se termina, la carrocería baja comprimiendo nuevamente al muelle, que vuelve a acumular energía, y al expandirse vuelve a levantarla, dando origen a un movimiento oscilatorio que continúa hasta ser amortiguado. Lo mismo sucede cuando la rueda cae en un bache, en este caso la carrocería baja por falta de sustentación y comprime el muelle, añadiendo a esto el efecto que la rueda produce al subir del bache, luego después se produce el mismo proceso anterior. 12

Cuando la rueda pasa sobre un obstáculo importante, el impacto que se transmite a

la carrocería es mayor cuanto más blanda sea la suspensión y más deprisa vaya el 12

Varios Autores. “Manual CEAC del Automóvil”, Editorial Ceac, 2002. Pág 659.

8

Amortiguador magnetoreológico vehículo, causando choques desagradables en los pasajeros y sometiendo a los elementos constructivos a esfuerzos mayores a los normales, los cuales pueden causar hasta una rotura de piezas. Para vehículos que están diseñados para circular por terrenos muy irregulares, las suspensiones son duras. Como dato adicional una suspensión blanda genera frecuencias en la carrocería menores a los 50 Hz; las suspensiones duras generan frecuencias mayores a 100 Hz. 13

La misión de los amortiguadores es disminuir la amplitud y la aceleración lo más

rápido posible, hasta llegar a una posición de equilibrio del sistema. Las barras estabilizadoras tienen como objetivo de contrarrestar la inclinación del vehículo cuando toma las curvas a gran velocidad, conocido también como efecto bamboleo, que hace que se comprima los muelles delantero y trasero que se encuentran a la parte exterior de la curva, y expandir los muelles que se encuentran al interior de la misma.

1.3.1 CLASES DE MUELLES. Los muelles se construyen de acero de alta calidad, confiriéndole la elasticidad deseada mediante diversos tratamientos; los muelles pueden ser de tres clases: a. Ballestas. b. Muelles helicoidales. c. Barras de torsión.

a. Ballestas 14

La ballesta figura 1.3, es un elemento que se comporta como un resorte de flexión,

puede soportar aparte de los esfuerzos de flexión, esfuerzos cortantes y poseen un determinado amortiguamiento propio, debido a la fricción que se produce entre las hojas cuando se flexionan. 13

Varios Autores. “Manual CEAC del Automóvil”, Editorial Ceac, 2002. Pág 660.

14

Varios Autores, “Mecánica del Automóvil”, GTZ. Pág 111.

9

Amortiguador magnetoreológico

Figura 1.3 Conjunto de la ballesta y fijaciones.

15

Esta constituida por varias hojas de acero especial para muelles, las cuales tienen

distintos radios de curvatura, adoptando una forma semielíptica. La hoja superior se denomina hoja maestra, que asume la función de guía de los muelles así como de los ejes, en general es más larga y gruesa que las demás hojas y en los extremos posee unos terminales llamados ojos. Las hojas se unen mediante abrazaderas y un eje rígido (en otros tipos de ballestas las hojas se unen mediante el llamado perno capuchino). Dado que no pueden ser fijadas de forma rígida al vehículo por la deformación elástica que se produce en la ballesta, se conecta a través de un dispositivo llamado gemela. Como se puede observar en la gráfica, las hojas van disminuyendo escalonadamente de longitud desde las superiores (más largas) a las inferiores (más cortas). La razón para este escalonamiento es conseguir una resistencia a la flexión aproximadamente uniforme en todas las secciones de la ballesta. 16

Aunque han sido la clase de resorte utilizado comúnmente en todo tipo de

vehículos, actualmente las ballestas se usan poco en los automóviles de turismo, pero si se emplean en muchos vehículos todo terreno y en los vehículos industriales.

15

Varios Autores. “Manual CEAC del Automóvil”, Editorial Ceac, 2002. Pág 661,662.

16

Varios Autores. “Manual CEAC del Automóvil”, Editorial Ceac, 2002. Pág 663.

10

Amortiguador magnetoreológico

b. Muelles helicoidales. Los muelles o resortes helicoidales son en la actualidad los más utilizados en los automóviles, se emplean tanto en la suspensión delantera como la trasera. 17

Sus propiedades elásticas dependen del diámetro de la espira, de la distancia entre

espiras (paso de la espira), y del diámetro y las propiedades del hilo utilizado. El coeficiente del resorte es calculado para hacerlo compatible con cada automóvil; en algunos casos esto es distinto de derecha a izquierda. Los muelles están diseñados para soportar en forma adecuada la carga según su dirección longitudinal, y proporcionar al mismo tiempo una conducción suave y blanda como sea posible.

a

Figura 1.4

b

c

d

Clases de muelles helicoidales: a. Flexibilidad constante; b, c, d. Flexibilidad variable.

En la figura 1.4 se muestran distintas clases de muelles. 18Cuando el diámetro de las espiras y el paso son constantes (detalle a) su flexibilidad es constante. Al hacer mayor el paso de las espiras centrales (detalle b) se consigue que las espiras externas se flexen primero, y al aumentar la carga lo hagan las del medio. El mismo efecto se logra con los muelles cónicos (detalle c), donde primero se comprimen las espiras de mayor diámetro. El muelle en forma de doble cono (detalle d) tiene las espiras centrales más separadas, siendo este muelle de flexibilidad variable.

17

Varios Autores, “Mecánica del Automóvil”, GTZ. Pág 113.

18

Varios Autores. “Manual CEAC del Automóvil”, Editorial Ceac, 2002. Pág 664

11

Amortiguador magnetoreológico

c. Barras de torsión. 19

En varios diseños actuales (sobretodo de turismo) se utilizan barras de torsión

como elementos elásticos, especialmente en suspensiones independientes. En la figura 1.5 se muestra la constitución de un a barra de torsión la cual puede ser de sección circular o rectangular.

20

La barra de torsión esta sujeta al bastidor y se

conecta indirectamente con la rueda. En algunos casos el extremo trasero de la barra esta fijo al chasis y el delantero al brazo de control de la suspensión, que actúa como palanca; al moverse verticalmente la rueda, la barra se tuerce. Las barras de torsión pueden estar montadas longitudinalmente o transversalmente. 21Las barras de torsión están hechas de una aleación tratada por calor para el acero, durante la manufactura son precisamente estiradas para darles una resistencia contra la fatiga.

Figura 1.5 Barra de torsión

1.3.2 BARRA ESTABILIZADORA. 22

La barra estabilizadora tiene la forma aproximada de una U ancha, y es un

elemento elástico cuya función es estabilizar la caja del vehículo frente a acciones que produzcan balanceo. Cuando el vehículo circula por una curva se produce una fuerza centrífuga, la carrocería sufre una inclinación con tendencia al vuelco.

19

LUQUE, Pablo. “Ingeniería del automóvil: sistemas y comportamiento dinámico”, Thomson, España, 2004. Primera edición. Pág 145. 20

Varios Autores. “Manual CEAC del Automóvil”, Editorial Ceac, 2002. Pág 664, 665. Varios Autores, “Mecánica del Automóvil”, GTZ. Pág 114. 22 Varios Autores. “Manual CEAC del Automóvil”, Editorial Ceac, 2002. Pág 665. 21

12

Amortiguador magnetoreológico 23

La configuración más típica de estas barras transversal, uniendo elásticamente las

ruedas de un mismo eje, con el objetivo de oponerse al par de vuelco del vehículo que origina una transferencia de carga entre las ruedas. Con esto se incide de forma directa sobre la adherencia y la seguridad del vehículo. Por consiguiente, la barra estabilizadora, anclada a la carrocería, uniendo ambas ruedas y trabajando a torsión regula el balanceo e intenta mantener la estabilidad. En la figura 1.6 se muestra la barra estabilizadora.

Figura 1.6 Barra estabilizadora

1.3.3 AMORTIGUADORES. El peso del automóvil que descansa sobre un muelle sin amortiguador, continua oscilando de arriba

hacia abajo después de una sacudida. El sacudimiento se

detendrá gradualmente por la fricción en el sistema de suspensión. Un automóvil bajo sacudimiento es muy difícil de controlar, por que el peso efectivo sobre las llantas cambia de forma permanente. Los amortiguadores se instalan sobre un sistema de suspensión para detener rápidamente el sacudimiento natural de los muelles del automóvil, lo cual mejora el desplazamiento, control y manejo. El muelle controla el peso del automóvil y el amortiguador controla el sacudimiento o la oscilación.

23

LUQUE, Pablo. “Ingeniería del automóvil: sistemas y comportamiento dinámico”, Thomson, España, 2004. Primera edición. Pág 147.

13

Amortiguador magnetoreológico 24

Un amortiguador en cualquiera de sus variantes, tiene la misión de neutralizar las

oscilaciones de la masa suspendida, originadas por el elemento elástico al adaptarse a las irregularidades del terreno, transformando la energía que almacena el muelle en calor. En la actualidad y desde hace muchos años atrás se ha impuesto en la industria el uso de los amortiguadores hidráulicos. En estos, la fuerza amortiguadora es función creciente con la velocidad de desplazamiento del pistón del amortiguador. Han existido otros tipos de amortiguadores hidráulicos, como son los giratorios y los de pistón, pero apenas se estilan y los que actualmente se utilizan son los de tipo telescópico (figura 1.7).

Figura 1.7 Amortiguador hidráulico telescópico

25

Al pasar el vehículo sobre un obstáculo se generan tanto en la estructura del carro

como en las ruedas oscilaciones que van cediendo gradualmente hasta cesar al cabo de un determinado tiempo. La duración de las oscilaciones depende de la aptitud amortiguadora de los muelles. Las ballestas tienen una

elevada eficacia de

amortiguación, llegando pronto al reposo. Los muelles helicoidales y barras de torsión, por lo contrario, requieren largo tiempo para ello. La misión entonces de los amortiguadores es frenar las oscilaciones para que su duración sea la mínima posible. El empleo de los amortiguadores adecuados y su

24 25

http://tecnun.es/automocion.htm Varios Autores, “Mecánica del Automóvil”, GTZ. Pág 115.

14

Amortiguador magnetoreológico buen estado de funcionamiento son fundamentales para la comodidad, y lo que es más importante, para la seguridad del vehículo. Los amortiguadores más empleados actualmente en los automóviles son los amortiguadores hidráulicos telescópicos de doble efecto, que pueden ser: a. bitubo. b. monotubo con gas. c. Amortiguadores magnetoreológicos (poco difundidos en el mercado).

a. Amortiguador bitubo. 26

Son los más comunes en la actualidad, existe en el mercado dos tipos: No

presurizados (aceite) y presurizados (con aceite y gas). Constan de dos cámaras, una llamada interior y otra de reserva. Hay válvulas en el pistón y en la base del amortiguador, llamada válvula de pie. En la figura 1.8 se puede apreciar la constitución de un amortiguador bitubo. 27

Como se puede observar en la figura 1.8, un amortiguador bitubo esta formado por

un cilindro interior concéntrico y solidario con un tubo o cilindro exterior, formando entre ambos la cámara de reserva de aceite. La parte inferior del cilindro está cerrada y se comunica con la cámara de reserva mediante la válvula de fondo. En el interior del cilindro, totalmente lleno de aceite se desplaza el pistón de trabajo o émbolo que está unido al vástago, este a su vez es portador, en este caso, del siletbloc a través del cual se fija a la carrocería y tubo protector. El amortiguador se une al brazo de la suspensión mediante otro silentbloc solidario al cilindro exterior. En consecuencia el cilindro sigue las oscilaciones de la rueda y el émbolo, y a través del vástago, las de la carrocería.

26

http://tecnun.es/automocion.htm

27

Varios Autores. “Manual CEAC del Automóvil”, Editorial Ceac, 2002. Pág 665, 666.

15

Amortiguador magnetoreológico

Silentbloc superior

Tubo de Guía Cámara de alta presión Barra de pistón o Cilindro Cámara de Pistón de trabajo o émbolo y Cilindro Cámara de baja Válvula de Silentbloc inferior

Figura 1.8 Estructura de un amortiguador bitubo doble efecto.

28

El funcionamiento del amortiguador es el siguiente: cuando disminuye la distancia

entre la carrocería y la rueda, el émbolo se desplaza hacia abajo en relación al cilindro, comprimiendo el aceite en la cámara de baja presión, que es obligado a pasar a la cámara de alta presión a través de la válvula del émbolo. Como la reducción del volumen en la cámara de baja presión es mayor que el aumento en la cámara de alta presión ya que, parte del aceite pasa por la válvula de fondo dirigiéndose hacia la cámara de reserva. Se puede decir que el mismo proceso sucede cuando la distancia entre la carrocería y la rueda se alarga, con la diferencia que en esta ocasión el aceite desalojado anteriormente hacia la cámara de reserva, vuelve a la cámara de baja presión a través de la válvula de fondo. La amortiguación se produce al ser frenado el émbolo por el paso del aceite de una cámara a la otra a través de las válvulas.

28

Varios Autores. “Manual CEAC del Automóvil”, Editorial Ceac, 2002. Pág 666, 667.

16

Amortiguador magnetoreológico 29

Los amortiguadores no presurizados tienen la desventaja de que se pueden formar

en ellos bolsas de aire bajo las siguientes condiciones: •

El amortiguador se almacena o transporta horizontalmente antes de ser instalado.

•

La columna de aceite de la cámara principal cae por gravedad cuando el vehículo permanece estático durante mucho tiempo.

•

El aceite se contrae como consecuencia de su enfriamiento al final de un viaje succionado aire hacia la cámara principal.

30

Los amortiguadores presurizados son uno de los más utilizados en los vehículos

cuando se busca mejorar las prestaciones de los amortiguadores de doble tubo convencionales. La solución consiste en añadir una cámara de gas de baja presión (4 bares es una presión suficiente), ya que la fuerza amortiguadora en compresión la sigue proporcionando la válvula de fondo. De esta forma la fuerza de extensión realizada por el amortiguador en su posición nominal es baja.

Las ventajas de estos amortiguadores respecto a los no presurizados: •

Respuesta de la válvula más sensible para pequeñas amplitudes.

•

Mejor confort de marcha.

•

Mejores propiedades de amortiguación en condiciones extremas (grandes baches).

31

•

Reducción de ruido hidráulico.

•

Siguen operativos auque pierdan el gas.

Respecto a los amortiguadores monotubo, los de doble tubo presurizados tienen la

ventaja de tener una menor longitud y fricción para las mismas condiciones de operación.

29

http://tecnun.es/automocion.htm

30

http://tecnun.es/automocion.htm

31

http://tecnun.es/automocion.htm

17

Amortiguador magnetoreológico

b. Amortiguadores monotubo. 32

De aparición más tardía que los bitubo, su uso es cada vez más extendido, sobre

todo en vehículos de altas prestaciones y en competición. Constan de dos cámaras principales. Una contiene el aceite y la otra el gas a presión (normalmente nitrógeno) que están separados por un pistón flotante. Solamente hay válvulas en el pistón. En la figura 1.9 se muestra un esquema simplificado de un amortiguador monotubo. Los amortiguadores monotubo tienen algunas ventajas respecto de los bitubo no presurizados: •

Buena refrigeración debido a que la cámara esta en contacto directo con el aire.

•

Mayor diámetro del pistón a igual diámetro de carcasa, lo que permite reducir las presiones de operación.

•

El nivel de aceite no baja al quedar estacionado el vehículo.

•

Debido a la presurización, el aceite no forma espuma, evitando problemas de cavitación.

Figura 1.9. Esquema simplificado de un amortiguador monotubo

32

http://tecnun.es/automocion.htm

18

Amortiguador magnetoreológico

Como desventajas se puede citar las siguientes: •

Mayores costos derivados de requerimientos superiores de precisión, tolerancia y estanqueidad del gas.

•

Las válvulas son más complejas.

•

Su mayor necesidad de espacio puede aumentar su longitud por encima de los 100 mm en aplicaciones de automóviles.

c. Amortiguadores magnetoreológicos. Se trata de amortiguadores semiactivos que en vez de aceite llevan un fluido magnetoreológico, prescindiendo de válvulas electromecánicas. Este fluido esta compuesto de partículas metálicas flotando en él. 33

Al magnetizarse, según si lo hace mucho o poco, modifica su viscosidad,

consiguiendo variar la dureza del amortiguador. A medida que aumenta el campo magnético, el fluido se vuelve fibroso y su estructura llega a ser casi plástica. Las reacciones del fluido al pasar por los orificios del amortiguador cambian con la diferencia de viscosidad. Cuando no esta magnetizado, hay una gran diferencia de velocidad entre las partículas que están próximas a las paredes del orificio, y las que fluyen rodeadas de otras partículas del fluido. Gracias a esa diferencia de velocidad, el caudal puede ser grande y, por tanto, el amortiguador es suave. Cuando el fluido esta magnetizado, la velocidad de todas las partículas es muy semejante. El flujo es más lento y, por tanto, la dureza del amortiguador aumenta. 34

El amortiguador se endurece cuando es preciso limitar más los rebotes del muelle

para aumentar el contacto con el suelo, bien por razones de estabilidad o por frenada. También actúa para frenar movimientos como balanceo o cabeceo, auque la amplitud de esos movimientos depende de los muelles y las barras estabilizadoras, no de los amortiguadores.

33 34

http://tecnun.es/automocion.htm http://www.tecnoedu.com/Armfield/SerieR.php

19

Amortiguador magnetoreológico 35

La desventaja con los amortiguadores tradicionales, es que generalmente las

propiedades del fluido son constantes y en consecuencia el coeficiente amortiguamiento y el valor de la fuerza generada. La principal ventaja de este sistema frente a los tradicionales es la rapidez de variación del tipo de amortiguación, y las infinitas posibilidades de regulación que permite. En el desarrollo de los siguientes capítulos de esta tesis se explicará con más detalle lo que es un fluido magnetoreológico y su aplicación en la construcción de un prototipo de amortiguador magnetoreológico.

1.4 36TIPOS DE FLUIDOS Antes de describir lo que es un fluido magnetoreológico, debemos primero conocer tanto los tipos de fluidos convencionales y el avance de la tecnología en el campo de los materiales para la construcción de dispositivos, y así, tener una visión más clara de las aplicaciones en las diferentes áreas. Los fluidos se pueden clasificar en tres grupos que son: Fluidos Newtonianos, Fluidos No-newtonianos y Viscoelásticos.

1.4.1 FLUIDOS NEWTONIANOS. Un fluido newtoniano se caracteriza por cumplir la Ley de Newton para fluidos, es decir, que existe una relación lineal entre el esfuerzo cortante τ y la velocidad de deformación ∂V/∂n. Si por ejemplo se triplica el esfuerzo cortante, la velocidad de deformación se va a triplicar también. Esto es debido a que el término µ (viscosidad) es constante para este tipo de fluidos y no depende del esfuerzo cortante aplicado.

τ= µ 35 36

∂V ∂n

http://ingenierias.uanl.mx/2/pdf/2_Miguel_Cupich_et_al_Amortiguadores.pdf http://www.plastunivers.com/tecnica/hemeroteca/ArticuloCompleto.asp

20

Amortiguador magnetoreológico Hay que tener en cuenta que la viscosidad de un fluido newtoniano no depende del tiempo de aplicación del esfuerzo, aunque sí puede depender tanto de la temperatura como de la presión a la que se encuentre. Para una mejor comprensión de este tipo de fluido se representan dos tipos de gráficas, la “Curva de Fluidez” figura 1.10 y la “Curva de Viscosidad” figura 1.11.

τ

∂V/∂n Figura 1.10 Curva de Fluidez de fluidos Newtonianos

µ

∂V/∂n Figura 1.11 Curva de Viscosidad fluidos Newtonianos

Algunos ejemplos de fluidos newtonianos pueden ser: el agua, el aceite, etc.

21

Amortiguador magnetoreológico

1.4.2 FLUIDOS NO-NEWTONIANOS Los fluidos no newtonianos son aquellos en los que la relación entre esfuerzo cortante y la velocidad de deformación no es lineal. Estos fluidos a su vez se diferencian en: a. Independientes del tiempo de aplicación. b. Dependientes del tiempo de aplicación.

a. Fluidos independientes del tiempo de aplicación Estos fluidos se pueden clasificar dependiendo de si tienen o no esfuerzo umbral, es decir, si necesitan un mínimo valor de esfuerzo cortante para que el fluido se ponga en movimiento.

a.1 Fluidos sin esfuerzo umbral a.1.1 Fluidos pseudoplásticos (SHEAR-THINNING) Este tipo de fluidos se caracterizan por una disminución de su viscosidad, y de su esfuerzo cortante con la velocidad de deformación. En las figuras 1.12 y 1.13 se muestran las curvas de fluidez y viscosidad de este tipo de fluidos pseudoplásticos.

τ

∂V/∂n

Figura 1.12 Curva de Fluidez fluidos Pseudoplásticos.

22

Amortiguador magnetoreológico

µ

∂V/∂n Figura 1.13 Curva de Viscosidad de fluidos Pseudoplásticos.

Ejemplos de este tipo de fluidos pueden ser algunos tipos de salsas de tomate, mostazas, algunos tipos de pintura, etc.

a.1.2 Fluidos dilatantes (Shear-thickening) Los fluidos dilatantes son suspensiones en las que se produce un aumento de la viscosidad con la velocidad de deformación, es decir, un aumento del esfuerzo cortante con dicha velocidad. En las figuras 1.14 y 1.15 se muestran las gráficas de las curvas de fluidez y viscosidad de los fluidos dilatantes. Conforme aumenta la velocidad de deformación aplicada, mayor turbulencia aparece y más difícil es el movimiento de la fase continua por los huecos, dando lugar a un mayor esfuerzo cortante, es decir, un aumento de la viscosidad. τ

∂V/∂n Figura 1.14 Curva de Fluidez de fluidos Dilatantes.

23

Amortiguador magnetoreológico

µ

∂V/∂n Figura 1.15 Curva de Viscosidad de Fluidos Dilatantes

Ejemplos de los fluidos dilatantes son: las harinas de maíz (maicenas), almidones concentrados, arena mojada, etc.

a.2 Fluidos con esfuerzo umbral, llamados plásticos Este tipo de fluido se comporta como un sólido hasta que sobrepasa un esfuerzo cortante mínimo (esfuerzo umbral) y a partir de dicho valor se comporta como un líquido. En las figuras 1.16 y 1.17 se muestran las gráficas de fluidez y viscosidad de los fluidos plásticos. La razón por la que se comportan así los fluidos plásticos es la gran interacción existente entre las partículas suspendidas en su interior. Están formados por dos fases, con una fase dispersa formada por sólidos y burbujas distribuidos en una fase continua.

τ

∂V/∂n Figura 1.16 Curva de Fluidez de fluidos Plásticos.

24

Amortiguador magnetoreológico

µ

∂V/∂n Figura 1.17 Curva de Viscosidad de fluidos Plásticos

En este tipo de fluidos se forman coloides cuyas fuerzas repulsivas que tienden a formar estructuras de tipo gel. Si las partículas son muy pequeñas poseen entonces una gran superficie específica, rodeados de una capa de absorción formada por moléculas de fase continua. Gracias a esta capa, las partículas inmovilizan gran cantidad de fase continua hasta que no se aplican sobre ellas un esfuerzo cortante determinado. Los fluidos plásticos, a su vez, se diferencian en la existencia de proporcionalidad entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación, a partir de su esfuerzo umbral. Si existe proporcionalidad, se denominan fluidos plásticos de Bingham y si no la hay, se denominan solo plásticos.

b. Fluidos dependientes del tiempo de aplicación Este tipo de fluidos se clasifican en dos tipos: los fluidos tixotrópicos, en los que su viscosidad disminuye al aumentar el tiempo de aplicación del esfuerzo cortante, recuperando su estado inicial después de un reposo prolongado, y los fluidos reopécticos, en los cuales su viscosidad aumenta con el tiempo de aplicación de la fuerza y vuelven a su estado anterior tras un tiempo de reposo.

25

Amortiguador magnetoreológico

b.1 Fluidos tixotrópicos Los fluidos tixotrópicos se caracterizan por un cambio de su estructura interna al aplicar un esfuerzo. Esto produce la rotura de las largas cadenas que forman sus moléculas. Dichos fluidos, una vez aplicado un estado de cizallamiento (esfuerzo cortante), sólo pueden recuperar su viscosidad inicial tras un tiempo de reposo. La viscosidad va disminuyendo al aplicar una fuerza y acto seguido vuelve a aumentar al finalizar dicha fuerza debido a la reconstrucción de sus estructuras y al retraso que se produce para adaptarse al cambio. Aparece un fenómeno de Histéresis como se muestra en las figuras 1.18 y 1.19.

τ

∂V/∂n Figura 1.18 Curva de Fluidez de fluidos Tixotrópico.

µ

∂V/∂n Figura 1.19 Curva de Viscosidad de fluidos Tixotrópico

26

Amortiguador magnetoreológico Las razones de este comportamiento son diversas. Si se considera al fluido como un sistema disperso, se debe tener en cuenta que las partículas que hay en él poseen diferentes potenciales eléctricos y tienden a formar tres estructuras variadas dependiendo de cómo sea la fase dispersa. Si la fase dispersa está formada por una serie de capas se denomina “Castillo de cartas, (Card House)” figura 1.20. Si en cambio se compone de una serie de varillas se denomina “Armadura” figura 1.21, y si la fase dispersa está compuesta por formas esféricas se denomina “Estructura de perlas encadenadas” figura 1.22.

Figura 1.20 Fase Dispersa tipo Castillo de Cartas

Figura 1.21 Fase Dispersa tipo armadura.

27

Amortiguador magnetoreológico

Figura 1.22 Fase Dispersa tipo estructura de perlas encadenadas.

Las fuerzas que actúan en estas estructuras son de tipo electrostático y se originan por el intercambio de

iones dentro del fluido, el cual provoca atracciones y

repulsiones entre ellos que dan lugar a cambios estructurales. Estos cambios estructurales hacen que disminuya la viscosidad con el aumento de la velocidad de deformación y que ésta esté muy influenciada por el tiempo. La estructura puede volver a recuperar su forma inicial dejándola un tiempo en reposo. Para diferenciar de forma sencilla un fluido tixotrópico, se aumenta la velocidad de deformación hasta un determinado valor y luego se disminuye hasta el reposo, observando entonces un fenómeno de histéresis, que ayuda a comprender la variación de la viscosidad. Algunos ejemplos de estos tipos de fluidos tixotrópicos son las pinturas, el yogurt, la salsa de tomate, algunos aceites de petróleo, el nylon, etc.

b.2 Fluidos reopécticos Los fluidos reopécticos, en cambio, se caracterizan por tener un comportamiento contrario a los tixotrópicos, es decir, que su viscosidad aumenta con el tiempo y con la velocidad de deformación aplicada y presentan una histéresis inversa a estos últimos.

28

Amortiguador magnetoreológico Esto es debido a que si se aplica una fuerza se produce una formación de enlaces intermoleculares conllevando un aumento de la viscosidad, mientras que si cesa ésta se produce una destrucción de los enlaces, dando lugar a una disminución de la viscosidad. En las figuras 1.23 y 1.24 se muestran dichas gráficas. Como ejemplo tenemos el yeso que al mezclarse con agua se convierte en un fluido reopéctico, endureciéndose rápidamente.

τ

∂V/∂n Figura 1.23 Curva de Fluidez de Fluidos Reopécticos

µ

∂V/∂n Figura 1.24 Curva de Viscosidad de fluidos Reopécticos.

29

Amortiguador magnetoreológico

1.4.3 FLUIDO VISCOELÁSTICO Los fluidos viscoelásticos se caracterizan por presentar a la vez tanto propiedades viscosas como elásticas. Esta mezcla de propiedades puede ser debida a la existencia en el líquido de moléculas muy largas y flexibles o también a la presencia de partículas líquidas o sólidos dispersos. Ejemplos de los fluidos viscoelásticos son la nata, la gelatina, los helados.

1.5 MATERIALES INTELIGENTES Los materiales inteligentes o activos, son materiales capaces de responder de forma controlable ante diferentes estímulos exteriores tanto físicos como químicos, modificando sus propiedades. 37

Existen diferentes tipos o clases de materiales inteligentes, su clasificación se da de

acuerdo al estímulo o comportamiento que recibe o produce respectivamente el material. Para intereses de este estudio se centra en una de las clasificaciones.

1.5.1 MATERIALES ELECTRO Y MAGNETOACTIVOS 38

Son materiales que actúan o reaccionan ante estímulos eléctricos o magnéticos

exteriores, se puede subdividirlos en los siguientes: a. Materiales magnetostrictivos y electrostrictivos. b. Materiales piezoeléctricos. c. Materiales electroreológicos y magnetoreológicos.

a. Materiales magnetostrictivos y electrostrictivos Los materiales magnetostrictivos y electrostrictivos cambian sus dimensiones al estar sometidos a un campo magnético o eléctrico respectivamente, por lo que son aptos para ser utilizados en sensores y actuadores. Sus aplicaciones más comunes son a 37 38

www.icai.es/publicaciones/anales_get.php?id=290 www.icai.es/publicaciones/anales_get.php?id=290

30

Amortiguador magnetoreológico modo de sonar, motores lineales, sensores de medida de tensiones mecánicas, medidas del par en ejes, sensores de posición y antirrobo.

b. Materiales piezoeléctricos Los materiales piezoeléctricos, poseen la capacidad de convertir la energía mecánica en energía eléctrica y viceversa, son ampliamente aplicados como sensores y actuadores, vibradores, zumbadores, micrófonos, etc.

c. Materiales electroreológicos y magnetoreológicos Los materiales electroreológicos y magnetoreológicos son capaces de alterar sus propiedades reológicas ante la presencia de un campo magnético o eléctrico exterior respectivamente.

1.6 FLUIDOS MAGNETOREOLÓGICOS 39

El descubrimiento y desarrollo de los fluidos magnetoreológicos puede acreditarse

a Jacob Rabinow. Estos fluidos se componen de partículas magnetizables muy pequeñas suspendidas en un adecuado líquido portador. Normalmente los fluidos MR son líquidos de consistencia similar a los aceites de motor, pero, cuando se aplica un campo magnético exterior se produce un momento dipolar en las partículas de hierro, formando una cadena paralela al campo como se muestra en la figura 1.26. La alineación de las partículas de hierro suspendidas en el líquido provoca que se pueda restringir el movimiento del fluido, en consecuencia, se desarrolla una fuerza en

el fluido que depende de la magnitud del campo magnético aplicado, lo

interesante es que esto ocurre en pocos milisegundos.

39

G.YANG. “Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modelling, Testing and Control”. PhD dissertation. University of Notre Dame, 2001. Pág 26.

31

Amortiguador magnetoreológico

Partículas suspendidas

S

Fluido

N Campo magnético

Figura 1.26 Formación de cadenas paralelas al campo magnético.

40

Un fluido MR típico contiene del 20 al 40% de partícula de hierro del volumen

total neto, dichas partículas son suspendidas generalmente en aceite mineral, aceite sintético, etc. Los aceites hidrocarburos son preferidos porque son muy buenos lubricantes, durables, estables, los aditivos evitan la sedimentación de las partícula de hierro y existen en el mercado un gran variedad de fluidos con diferentes viscosidades. Otro factor que interviene en el desarrollo de la fuerza en el fluido es la curva de saturación magnética de las partículas suspendidas. Es recomendable que el nivel de saturación magnética de las partículas sea grande para así obtener un buen fluido MR. Las aleaciones de hierro y cobalto tienen una de las mejores niveles de saturación magnética, esto es alrededor de 2.4 teslas, pero, el precio de este tipo de material es muy alto, por lo que no es muy utilizado para aplicaciones prácticas y comerciales; podemos utilizar entonces partículas de hierro carbono que tienen una saturación magnética de 2.15 teslas. El tamaño de las partículas influye en la suspensión de las mismas en el fluido, esto es, mientras menor sea el tamaño de las partículas la suspensión en el fluido es mucho mejor, favoreciendo la regulación de la dureza de amortiguación; caso contrario mientras mayor sea el tamaño de las partículas se torna difícil la suspensión de las mismas en el fluido y por consiguiente la regulación de la amortiguación.

40

G.YANG. “Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modelling, Testing and Control”. PhD dissertation. University of Notre Dame, 2001. Pág 26.

32

Amortiguador magnetoreológico

1.6.1 Modelado del Fluido magnetoreológico 41

Para representar matemáticamente el comportamiento de un fluido MR a menudo

se utiliza el modelado de un plástico Bingham como se muestra en la figura 1.27; este describe satisfactoriamente las características del fluido magnetoreológico. En este modelo el esfuerzo cortante esta dado por:

τ =τ 0 (H ) + µ

∂V ∂n

Donde: τ0(H) = esfuerzo cortante dependiente del campo magnético. µ

= coeficiente de viscosidad.

∂V/∂n = velocidad de deformación del fluido.

τ

Fluido Dilatante Fluido Bingham Fluido Pseudos-plástico

τ0

Fluido Newtoniano

∂V/∂n

Figura 1.27 Modelo visco-plástico de los fluidos MR

41

G.YANG. “Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modelling, Testing and Control”. PhD dissertation. University of Notre Dame, 2001. Pág 29.

33

Amortiguador magnetoreológico 42

De lo anterior se deduce que la densidad de energía en los fluidos MR esta limitado

por la saturación magnética de las partículas de hierro. Un fluido MR tiene por lo general un valor máximo de densidad de energía de 0.1 Joule/cm3. Para tener una idea de la significativa ventaja de los fluidos MR en lo referente a la densidad de energía que puede proporcionar respecto a otros fluidos como por ejemplo los fluidos electroreológicos ER, dichos fluidos tienen una densidad de energía máxima de solo 0.001 Joule/cm3; teniendo en consideración que en ambos fluidos la viscosidad es casi la misma. Esta una de las razones más importantes por las que la utilización de los fluidos MR ha tenido una gran aceptación en la construcción de dispositivos amortiguadores. Otra ventaja es el esfuerzo cortante que se puede obtener de los fluidos MR con partículas suspendidas de hierro, que aproximadamente es de 100 kPa, y que, si comparamos con el esfuerzo cortante que puede proporcionar un fluido ER que es de 2 a 5 kPa, esta claro los beneficios que obtenemos al utilizar los fluidos MR. 43

Si consideramos la gran densidad magnética que nos ofrecen los fluidos MR

podemos construir dispositivos de menores dimensiones con un gran rango de servicio. Los fluidos MR pueden operar en un rango de temperatura comprendidas entre -40 º a 150 ºC teniendo una ligera variación en su esfuerzo cortante (Carlson y Weiss 1994). Esto se produce porque la polarización magnética de las partículas de hierro suspendidas en el fluido no es afectada considerablemente por la temperatura. Además, los fluidos MR no son afectados por las impurezas que por lo general se producen durante el proceso de fabricación y el uso del dispositivo. Cabe mencionar que la polarización magnética tampoco es afectada por los aditivos, al contrario, esto facilita la estabilidad en los fluidos MR contra la separación de las partículas, aunque las partículas y el líquido portador tengan una gran diferencia en sus densidades.

42

G.YANG. “Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modelling, Testing and Control”. PhD dissertation. University of Notre Dame, 2001. Pág 31.

43

fG.YANG. “Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modelling, Testing and Control”. PhD dissertation. University of Notre Dame, 2001. Pág 31, 32.

34

Amortiguador magnetoreológico

1.7 PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS 1.7.1 Propiedades reológicas 44

Las propiedades reológicas de este tipo de fluidos están determinadas por lo

siguiente: •

Concentración y densidad de las partículas.

•

Distribución de forma y tamaño de las partículas.

•

Las propiedades del fluido portador.

•

Aditivos adicionales.

•

La intensidad de campo magnético aplicado.

•

La temperatura.

•

Otros factores.

1.7.2 Propiedades magnéticas Es muy importante conocer las propiedades magnéticas de los fluidos magnetoreológicos para tener una visión de los posibles diseños de dispositivos en base a estos fluidos.

45

En varios de los dispositivos, el fluido representa la mayor

reluctancia en el circuito magnético. Los materiales super-paramagnéticos son los ideales para la construcción de este tipo de fluidos magnetoreológicos, su comportamiento en presencia de un campo magnético es muy conveniente para el funcionamiento esperado de este tipo de amortiguadores.

Una

vez

aplicado

un

campo

magnético

a

un

fluido

magnetoreológico, la primera reacción es la alineación de las partículas suspendidas en la dirección del campo magnético aplicado, formando una estructura fibrosa que cambia las características del fluido. Cuando quitamos el campo magnético, y debido a que los materiales super-paramagnéticos no tienen remanencia ni histéresis magnética, es decir, al quitar el campo magnético las partículas suspendidas en el fluido no quedan magnetizadas, el fluido magnetoreológico se comporta como un fluido newtoniano normal. 44 45

http://ingenierias.uanl.mx/2/pdf/2_Miguel_Cupich_et_al_Amortiguadores.pdf http://ingenierias.uanl.mx/2/pdf/2_Miguel_Cupich_et_al_Amortiguadores.pdf

35

Amortiguador magnetoreológico

Propiedades

Magnitud

Máximo esfuerzo cortante τ0(H)

50 a 100 kPa

Máximo campo magnético

≅ 250 kA/m

Viscosidad plástica aparente η

0.1 a 10 Pa-s

Rango temperatura de operación

-40 a 150 ºC

Estabilidad

Insensible a la mayoría de impurezas

Densidad

3 a 4 g/cm3

Máxima densidad de energía

0.1 Joule/cm3

Suministro de energía

2 a 50 V, 1 a 2 A

46Tabla1.1 Propiedades de los fluidos MR.

1.8 APLICACIONES Las áreas de aplicaciones de los fluidos magnetoreológicos son muy diversas, entre ellas se puede mencionar las siguientes:

1.8.1 Robótica 47

El sistema nervioso de los futuros robots puede utilizar fluidos magnetoreológicos

para mover las articulaciones y extremidades de forma semejante a los seres vivos.

1.8.2 Automotriz En el área automotriz se lo aplica en la atenuación de las vibraciones esto es en el sistema de suspensión, específicamente en los amortiguadores. El confort en los vehículos se a segura con estos amortiguadores magnetoreológicos, porque mediante un control electrónico se puede ajustar en una fracción de segundo la rigidez del amortiguador garantizando así un viaje cómodo y seguro.

46

G.YANG. “Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modelling, Testing and Control”. PhD dissertation. University of Notre Dame, 2001. Pág 33. Tabla 2.2 47 http://ciencia.nasa.gov/headlines/y2003/02apr_robotblood.htm

36

Amortiguador magnetoreológico

1.8.3 Construcciones civiles Como se indicó anteriormente una

aplicación

importante de los fluidos

magnetoreológicos es la atenuación de las vibraciones. Una de las aplicaciones importantes en el mundo de la construcción es la atenuación de los movimientos producidos por los terremotos y las ráfagas de viento. 48En Japón ya se ha instalado dispositivos en la construcción de edificios y puentes específicamente el Museo Nacional de Ciencias Emergentes del Japón y el puente del Lago Dong Ting en China figura 1.28.

Figura 1.28

Puente de Lago Dong Ting en China está equipado con aislantes de Movimiento

magnetoreológico para contrarrestar las ráfagas de viento. Imagen cortesía Lord Corporation.

1.8.4 Dispositivos y amortiguadores magnetoreológicos. 49

La máxima fuerza que un amortiguador MR puede dar depende de las propiedades

del fluido MR, su diseño de circulación y el tamaño del amortiguador. Casi todos los dispositivos que usan fluidos MR pueden ser clasificados de acuerdo a su función en (Carlson y Spencer 1996): a.- válvulas.

48

http://ciencia.nasa.gov/headlines/y2003/02apr_robotblood.htm G.YANG. “Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modelling, Testing and Control”. PhD dissertation. University of Notre Dame, 2001. Pág 32.

49

37

Amortiguador magnetoreológico b.- esfuerzo cortante directo. c.- compresión. d.- combinación de todos los anteriores.

50

Dispositivos que se encuentran dentro de un funcionamiento a modo de válvula

pueden ser: servo-válvulas, amortiguadores y actuadores. Dispositivos basados en el esfuerzo cortante directo pueden ser: embragues, frenos, compuertas, amortiguadores y compuestos para la construcción. Dispositivos basados en la compresión se han usado en algunos amortiguadores para vibraciones de pequeña amplitud.

50

G.YANG. “Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modelling, Testing and Control”. PhD dissertation. University of Notre Dame, 2001. Pág 33.

38

Amortiguador magnetoreológico

CAPITULO II

39

Amortiguador magnetoreológico

2 OBTENCIÓN DEL FLUIDO MAGNETOREOLÓGICO.

Un fluido MR básico debe tener tres características: partículas magnéticamente polarizables,

líquido portador, y aditivos estabilizadores que ayudan a que las

partículas de hierro se mantengan en suspensión y así evitar la sedimentación de las mismas.

2.1 TIPOS DE FLUIDOS CONVENCIONALES PARA AMORTIGUADORES. Existen muchos aceites o fluidos que generalmente se utiliza para el llenado de los amortiguadores, en nuestro medio el más utilizado es el conocido aceite hidráulico que se puede encontrar en las marcas como son Castrol, Shell, PDVSA, Valvoline, etc. Para el llenado del amortiguador MR se utiliza el fluido de transmisión automática Valvoline ATF que cumple con la norma DEXRON III y MERCON. A continuación se detalla las especificaciones de la norma DEXRON III para tener mayor información de las características del fluido utilizado:

2.1.1 51NORMA GL ATF-1 DEXRON III Descripción del producto Lubricante diseñado para cubrir los más exigentes requerimientos de los principales fabricantes de transmisiones automáticas. Asimismo, el perfecto equilibrio de sus características físico-químicas le confiere al mismo una excelente alternativa de uso en otro tipo de mecanismos, como determinadas cajas manuales, automáticas, direcciones hidráulicas, etc.

51

http://www.amaoils.com/sgc/files/GL%20ATF-1%20Dexron%20III.pdf

40

Amortiguador magnetoreológico Aplicación Su utilización está dirigida a direcciones hidráulicas y cajas automáticas de todo tipo de vehículos que requieran utilización de lubricante norma DEXRON III. Atributos · Control de la oxidación. · Excelente protección frente al desgaste. · Adecuado desempeño para facilitar la selectividad de las marchas. · Inhibe la formación herrumbre y el ataque corrosivo. · Buena fluidez a bajas temperaturas.

Niveles y especificaciones Cumple Norma DEXRON III / MERCON / ALLISON C-4 Envases Este producto se comercializa en los siguientes envases: Baldes de 20 Litros y Botellas de 1 Litro. Seguridad. Peligro de incendio: Medio de extinción: Polvo químico, espuma. De no contarse con extintores, puede usarse arena o tierra para fuegos de poca magnitud. En ningún caso usar chorro de agua, ya que puede extender el fuego. Análisis típico Los datos precedentes de Análisis Típicos no conforman una especificación, los mismos son representativos de valores estadísticos de producción.

41

Amortiguador magnetoreológico Ensayo Valores

Valores

Viscosidad @ 40ºC ASTM D-445 cSt

39.00

Viscosidad @ 100ºC ASTM D-445 cSt

7.00

Indice de Viscosidad ASTM D-2270

142

Densidad ASTM D-1298 gr/cm3

0.90

Punto de Inflamación ASTM D-92 ºC

240

Color

Rojo

Derrames: Se procederá a su absorción con arena, tierra o material similar y su eliminación o disposición final será de acuerdo a las normas vigentes. Peligros para la salud: Los productos de alta refinación comercializados por Ama Racing Oils, no presentan riesgos para la salud y la seguridad siempre que su uso de aplicación sea el recomendado. Evitar el contacto prolongado con la piel, la salpicadura en los ojos y su ingestión

2.2 OBTENCIÓN DE LAS PARTÍCULAS DEL MATERIAL MAGNÉTICO. Se pueden obtener las partículas magnéticas de distintos procesos con arranque de viruta como son: roscado, taladrado, limado, fresado, etc. En los mismos, el tamaño de las limallas es variado. Para el caso de estas tesis se ha utilizado la limalla se obtiene del proceso de una limadora automática figura 2.1. El material del cual se obtiene las partículas en este

42

Amortiguador magnetoreológico caso es de una placa de hierro que tiene muy buenas características magnéticas. En el proceso se utiliza refrigerante el cual humedece las limallas como se muestra en la figura 2.2.

Figura 2.1 Limadora automática.

Figura 2.2 Proceso de limado y obtención de limallas de hierro.

43

Amortiguador magnetoreológico Recolectadas las limallas de hierro se procede a secarlas al ambiente teniendo cuidado de esparcirlas de tal forma que evitemos que se formen volúmenes grandes semicompactos, esto nos evitará molestias en los pasos siguientes, en la figura 2.3 se muestra la forma correcta de secado.

Figura 2.3 Proceso de limado y obtención de limallas de hierro.

Un consejo para el secado, es poner las limallas sobre papel absorbente o como en este caso se utiliza papel periódico, el objetivo es acelerar dicho proceso. Como el tamaño de las limallas es variado, se realiza un filtrado de las mismas para obtener las limallas más pequeñas, cumpliendo así las recomendaciones hechas en el capítulo anterior. Para empezar, una vez que se ha secado las limallas, procedemos a pulverizar las mismas utilizando un mortero o algún otro método que sirva para moler los pedazos que se forman en el proceso de secado. La figura 2.4 a, 2.4 b, muestra este paso; la consistencia debe ser hasta obtener una especie de harina muy fina, recuerde que mientras mas fina es la partícula es mejor el resultado del fluido MR.

44

Amortiguador magnetoreológico

Figura 2.4 a Pulverizado de las limallas de hierro.

Figura 2.4 b Consistencia de las limallas de hierro.

Pulverizadas las limallas el siguiente paso es filtrar las limallas grandes o gruesas de las pequeñas, para esto se utiliza un colador o tela muy fina que permita pasar las limallas de menor tamaño, puede servir la tela tipo tergal o visillo llano, se recomienda utilizar el que tenga los orificios más pequeños. Todo este proceso es tedioso, porque se lo realiza en pocas cantidades, pero, se debe ser lo más minucioso posible, ya que de este paso depende el éxito en la obtención de un fluido MR de calidad. En las figuras 2.5 a y 2.5 b se muestra el paso de filtrado.

45

Amortiguador magnetoreológico

Figura 2.5 a Filtrado de las limallas de hierro.

Figura 2.5 b Filtrado de las limallas de hierro.

Aproximadamente se obtiene un 60% de limalla útil, es decir, una limalla del tamaño requerido; hay que considerar que del proceso de filtrado también se obtiene óxido que se puede eliminar mediante un proceso de tamizado con gasolina, claro esta que en el mismo se obtienen partículas mas pequeñas que se puede aprovechar secándolas al sol y así no desperdiciar limallas. Concluido con todos estos pasos se ha obtenido las partículas de hierro magnético que sirve para conseguir el fluido MR que se quiere.

46

Amortiguador magnetoreológico

2.3 MEZCLA DEL FLUIDO Y DE LAS PARTÍCULAS DEL MATERIAL MAGNÉTICO. Como se menciona en los temas anteriores la viscosidad es una de las más importantes características en un aceite y por consiguiente en el fluido MR. En general, una baja viscosidad es preferida en los fluidos MR cuando este aún no es energizado. Otra importante propiedad de los aceites es la baja presión de vaporización, es decir, el fluido no se vaporizará y el gran rango de temperatura de trabajo. Los agentes estabilizadores son aditivos en primer lugar ayudan a que las partículas de hierro no desciendan o se sedimenten muy rápido y se endurezcan en el fondo del cilindro exterior del amortiguador, dificultando la mezcla del mismo. Entonces, estos agentes estabilizadores ayudan a inhibir las inevitables leyes de la gravedad y suavizan los sedimentos producidos facilitando así la mezcla del mismo. Otras características de los agentes es proveer durabilidad y resistencia a la corrosión.

2.3.1 PROCESO DE MEZCLADO. Obtenidas las limallas de hierro y realizado el proceso anterior se procede a la mezcla del aceite hidráulico con las limallas, se puede utilizar una mezcladora de pinturas por algunos minutos para obtener un mejor resultado. Los siguientes son los porcentajes recomendados a partir del volumen necesario para llenar la cámara del amortiguador: El amortiguador que se utiliza para este proyecto tiene un volumen neto de la cámara aproximado de 450 mililitros.

% Volumen Aceite hidráulico

% Volumen Limallas de hierro

80

20

70

30

60

40

Tabla 2.1 % de volúmenes de aceite y limallas de hierro

47

Amortiguador magnetoreológico En la figura 2.6 se muestra el fluido MR el cual tiene un color oscuro rojizo debido a que el aceite es color rojo.

Figura 2.6 Fluido Magnetoreológico.

2.4

PRUEBAS

DE

FUNCIONAMIENTO

DEL

FLUIDO

MAGNETOREOLÓGICO. Las pruebas de funcionamiento del fluido MR se la realiza de forma visual en este capitulo, ya que, en el capítulo IV es donde se realiza las pruebas del amortiguador; se obtiene los valores de viscosidad para los diferentes valores de corriente o campo magnético. Para probar el funcionamiento basta colocar un imán o electroimán dentro del fluido MR, vemos que las partículas suspendidas se alinean paralelamente a las líneas del campo magnético cambiando claramente las propiedades del fluido como lo es la viscosidad. En la figura 2.7 a, b y c se muestra el proceso donde se observa que el fluido se adhiere a la culata del electroimán cuando este es energizado, para mayor aclaración del funcionamiento del fluido, se adjunta un video con esta prueba en un CD.

48

Amortiguador magnetoreológico

Figura 2.7 a . Prueba visual de funcionamiento del fluido MR.

Figura 2.7 b Prueba visual de funcionamiento del fluido MR.

49

Amortiguador magnetoreológico

Figura 2.7 c Prueba visual de funcionamiento del fluido MR.

50

Amortiguador magnetoreológico

CAPITULO III

51

Amortiguador magnetoreológico

3 DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN PROTOTIPO DE AMORTIGUADOR MAGNETOREOLÓGICO

3.1 DISEÑO PARA LA ADAPTACIÓN DE UN AMORTIGUADOR COMERCIAL ESTÁNDAR. Para comenzar con el diseño se debe considerar las diferentes áreas en las cuales se realizará algún cambio en el amortiguador para alcanzar los objetivos planteados de esta tesis, es decir, transformarlo en un amortiguador magnetoreológico. Siendo así, los cambios se harán en la parte mecánica, de fluidos, y por último se adicionará la parte electromecánica (electroimán).

3.1.1 DISEÑO DE LA GEOMETRÍA DE UN AMORTIGUADOR MR. Para el diseño de un amortiguador debemos tomar en consideración los datos que se detallan en la figura 3.1. 52

Lo importante en el diseño de la geometría de un amortiguador MR es escoger una

apropiada distancia del entrehierro h (que en este caso también simula la función de válvula) y la longitud del polo L de tal manera que se pueda obtener un rango dinámico D y una fuerza controlable Fτ lo mas cercana al resultado planteado. 53

En la siguiente ecuación obtenemos el rango dinámico D:

D=

F Fτ + Fη + F f = Fuc Fη + F f

52

G.YANG. “Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modelling, Testing and Control”. PhD dissertation. University of Notre Dame, 2001. Pág 66.

53

G.YANG. “Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modelling, Testing and Control”. PhD dissertation. University of Notre Dame, 2001. Pág 66, 67.

52

Amortiguador magnetoreológico Donde: F= Fuerza de Resistencia del amortiguador que incluye a la Fuerza Controlable Fτ causada por el esfuerzo de fluencia del fluido dependiente del campo magnético τ0 , la Fuerza Visco-plástica Fη y la Fuerza de Fricción Ff . Fuc= Fuerza Incontrolable que incluye la Fuerza Viscosa Fη la Fuerza de Fricción Ff .

Lc Distancia entrehierro h Ls

Carcasa

c

Pistón del amortiguador Bobina

Figura 3.1 Circuito magnético del amortiguador MR

Conocer el valor de la fuerza de fricción exacta es casi imposible antes de construir y probar el amortiguador. Se puede asumir razonablemente que Fη= Ff

.

Además,

debido a que Fτ + Fη >> Ff la ecuación 1.4 se puede escribir de la siguiente forma:

D=

Fτ + Fη 2 Fη

53

Amortiguador magnetoreológico Debido a que Fτ + Fη = (dp dx )τ 0 A p L y Fη = (dp dx )τ 0 =0 Ap L

Donde: Ap= área de la sección transversal del pistón. L = Longitud polar.

(dp

dx )τ 0 = Gradiente de presión con el esfuerzo de fluencia del fluido.

(dp

dx )τ 0 =0 = Gradiente de presión sin el esfuerzo de fluencia del fluido.

La ecuación anterior se puede manipular de la siguiente manera:

(dp

(dp

54

dx )τ 0

dx )τ 0 =0

= 2D

Para determinar la distancia del entrehierro h debe cumplir primero con la siguiente

condición para obtener los mejores resultados en el funcionamiento del amortiguador:

(dp

(dp

dx )τ 0

dx )τ 0 =0

≥ 2D

54

G.YANG. “Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modelling, Testing and Control”. PhD dissertation. University of Notre Dame, 2001. Pág 67.

54

Amortiguador magnetoreológico Hay que tener en cuenta que la geometría de diseño debe ser de tal forma que no cause problemas a la hora de la fabricación. La longitud polar L puede ser calculada por la siguiente ecuación:

L=

Fτ A p (dp dx )τ 0 − (dp dx )τ 0 =0

[

]

La fuerza de resistencia F puede ser considerada por la siguiente ecuación:

[

]

F = (dp dx )τ 0 Ap L + F f = (dp dx )τ 0 + (dp dx )τ 0 =0 Ap L

El gradiente de presión con el esfuerzo de fluencia del fluido debido a la aplicación del campo magnético se calcula de la siguiente manera: Pf − Pi  dp    = x  dx τ 0

Donde: Pf = Presión debida a la aplicación del campo magnético en Pa. Pi = Presión atmosférica en Pa. x = Distancia de carrera del pistón del amortiguador en m. De igual forma para la ecuación del gradiente de presión sin el esfuerzo de fluencia del fluido, es decir, sin la aplicación del campo magnético se tiene un a ecuación similar a la anterior.

55

Amortiguador magnetoreológico Pf − Pi  dp    = x  dx τ 0 =0

Donde: Pf = Presión sin la aplicación del campo magnético en Pa. Pi = Presión atmosférica en Pa. x = Distancia de carrera del pistón del amortiguador en m.

3.1.2 ADAPTACIÓNES MECANICAS EN EL AMORTIGUADOR. Una vez que se tiene el amortiguador al cual se realizará la adaptación, lo primero que debe investigarse son los catálogos, para buscar las características del amortiguador, en caso de no encontrar la información necesaria, se puede seguir el siguiente procedimiento: Abrir el amortiguador.- Tomando una sierra se corta alrededor de la parte superior

del cilindro exterior, teniendo cuidado de no dañar el cilindro interior del amortiguador en caso de tener un amortiguador bitubo. Ya que el amortiguador esta lleno de aceite hidráulico a presión, cuando ya este cerca de cortarlo completamente el aceite fluirá con mucha presión, así que asegúrese de

contar con todas las

protecciones necesarias como son gafas, guantes, etc. y un recipiente para recoger el fluido extraído del amortiguador. En la gráfica de la figura 3.2 se muestra este primer paso.

56

Amortiguador magnetoreológico

Figura 3.2 Procedimiento de corte del cilindro del amortiguador.

Medidas de los componentes.- cumplido el paso anterior, se toman las medidas de

los componentes del amortiguador (cilindro exterior, cilindro interior, pistón). En la figura 3.3 se puede observar los componentes del amortiguador bitubo. En las láminas del anexo se detallan los dibujos de conjunto y despiece.

Figura 3.3 Componentes del amortiguador bitubo.

57

Amortiguador magnetoreológico Trabajos en el torno.- para la adaptación, se requiere realizar dos trabajos. En primer

lugar hacer un agujero a través del émbolo del pistón de 30 cm de largo y de un diámetro 7 mm para poder alimentar de energía a la bobina del electroimán. Para alojar la bobina del electroimán se necesita construir un núcleo de 2 cm de diámetro y con un a longitud de 5 cm. El diámetro de las culatas es de 4 cm y con una altura de 1 cm como se muestra en la figura 3.4.

1cm

4 cm

2cm

5 cm

Figura 3.4 Núcleo del electroimán.

Luego de la construcción del núcleo realizados la unión de la misma con el émbolo del pistón, cabe anotar que se realiza un agujero en el núcleo de 5 mm de profundidad y un diámetro de 2 cm para facilitar y centrar el acople del émbolo y núcleo. El siguiente paso es soldar alrededor de la unión de los mismos. Durante el proceso de diseño se debe tomar en consideración algunos aspectos o problemas prácticos, tal como es el centrado del pistón del amortiguador y la supresión de sobrevoltaje. A continuación se discutirá este tipo de problemas y las soluciones a las mismas.

58

Amortiguador magnetoreológico 55

Generalmente el pistón del amortiguador no se queda centrado durante el

funcionamiento del mismo. Este problema puede ser debido un error de construcción o a sobrepeso a uno de los lados debido a inapropiada instalación que produce un cabeceo. Para solucionar este tipo de problema se coloca unos cojinetes de bronce alrededor de la cabeza del pistón, que nos sirve como núcleo para la bobina del electroimán como se muestra en la figura 3.5.

Bobina

Vástago

Cabeza del pistón

Cojinete de bronce

Figura 3.5 Cojinetes de bronce colocados en la cabeza del pistón para centrado

Debido a que el bronce es un material más suave que el acero, no se corre el riesgo de producir un desgaste considerable en la superficie del cilindro del amortiguador. Terminado el trabajo que servirá para alimentar y alojar la bobina del electroimán a través del agujero, y la construcción del núcleo, ahora se debe construir un mecanismo para sellar herméticamente el amortiguador que previamente se había abierto para realizar los trabajos o adaptaciones necesarias. Dado que es un prototipo de amortiguador, se necesita realizar algunas pruebas con diferentes porcentajes de limallas de hierro mezcladas con el aceite hidráulico, es decir, el mecanismo de

55

G.YANG. “Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modelling, Testing and Control”. PhD dissertation. University of Notre Dame, 2001. Pág 71.

59

Amortiguador magnetoreológico sellado debe ser tal que se pueda abrir y cerrar las veces que sean necesarias para realizar las pruebas que se detallan en el capitulo IV. Mecanismo de sellado.- Una solución para sellar herméticamente el amortiguador y

que se pueda abrir y cerrar las veces que se requiera es realizar un trabajo de roscado. En la figura 3.6 se puede observar las piezas en las cuales se efectuará el trabajo de roscado.

Figura 3.6 Piezas en las que realiza el trabajo de roscado.

Primeramente se suelda un pedazo de tubo a la tapa del cilindro del amortiguador de 2 cm de ancho como se muestra en la figura 3.7, esta extensión sirve para realizar el roscado en la misma y poder acoplar con el cilindro exterior del amortiguador al cual también se le hace el roscado figura 3.8.

Figura 3.7 Proceso de roscado en la tapa del amortiguador.

60

Amortiguador magnetoreológico

Figura 3.8 Proceso de roscado el cilindro exterior y la tapa del amortiguador.

Concluido el trabajo de roscado se acopla las dos piezas para comprobar que los mismos se deslicen sin dificultad, en caso de que exista un poco de dificultad se lima la rosca del cilindro exterior o macho en el torno y probarlo nuevamente hasta que no exista mucha resistencia al roscado; hay que considerar que el roscado debe quedar un poco apretado

para evitar que se filtre el fluido que se encuentra en el

amortiguador. En la figura 3.9 se observa el acoplamiento de la tapa y el cilindro.

Figura 3.8 Acoplamiento del cilindro y la tapa del amortiguador.

61

Amortiguador magnetoreológico Otra de las adaptaciones importantes es la eliminación del cilindro interior del amortiguador que como se recordará es un amortiguador bitubo; las razones por la que realiza estos cambios, es porque se necesita un espacio mayor para el alojamiento del electroimán, ya que, por el número de espiras, este ocupa un mayor espacio; además dado que no se puede evitar por completo que se sedimente las partículas de hierro, las mismas pueden tapar los orificios en la parte inferior del cilindro, perjudicando así el buen funcionamiento del amortiguador. Al realizar este último paso, hay que considerar que se debe soldar a la tapa del cilindro la base para la ubicación del retenedor (figura 3.9) que sirve para evitar que el fluido escape por la parte superior del amortiguador.

Figura 3.9 Retenedor de aceite y tapa del amortiguador.

Por último se realiza un orificio a un costado de la tapa del amortiguador para poder llenar completamente la cámara y cerrarlo con un perno.

62

Amortiguador magnetoreológico

3.2 DISEÑO Y CONSTRUCCION DEL ELECTROIMÁN. Para completar el diseño, que en la sección anterior ya se realizó un adelanto, nos centrearemos específicamente en lo que se refiere al circuito magnético. 56

Un circuito magnético típico para un

amortiguador MR usa acero con bajo

contenido carbono, el cual contiene una alta permeabilidad y saturación magnética, así como también un conducto de flujo magnético para guiar y focalizar el flujo magnético. En el trabajo de diseño del circuito magnético lo más apropiado es el determinar el valor de los amperios-vuelta (NI) necesarios para el circuito magnético. Uno de los objetivos más importantes en el diseño es el maximizar la energía del campo magnético en el fluido y minimizar las pérdidas de flujo en el hierro y las regiones donde no se realice trabajo. En la figura 3.10 se muestra el circuito magnético en serie, donde se puede apreciar el recorrido del flujo magnético por las diferentes secciones del núcleo.

Figura 3.10 Circuito magnético en serie.

57

El flujo magnético establecido por el electroimán está definido por la letra griega fi

Φ, sus propiedades son similares a las de la corriente que atraviesa un circuito

56

G.YANG. “Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modelling, Testing and Control”. PhD dissertation. University of Notre Dame, 2001. Pág 68. 57 BOYLESTAD, Robert. “Electricidad Electrónica y Electromagnetismo Principios y Aplicaciones”, Editorial Trillas S.A. México, 1993. Segunda edición. Pág 196.

63

Amortiguador magnetoreológico eléctrico, una de ellas, es que siempre busca el paso a través de la menor resistencia. En el circuito magnético el flujo buscará el camino con menor reluctancia R.

ℜ=

l

µA

[ampere − vuelta por weber ]

l = longitud media en metros.

A = superficie en m2. µ = permeabilidad. 58

La permeabilidad µ es una medida de la facilidad con que las líneas de flujo pueden

establecerse en el material. Dicha permeabilidad esta determinada por la siguiente relación:

µ = µ0 µr µ r = permeabilidad relativa. µ o = permeabilidad del aire.

La permeabilidad relativa µ r es una medida de la calidad del material en comparación con el aire µ o. la permeabilidad del aire en el sistema SI es:

µ o = 4π x 10 −7 [Wb ( Amp − vuelta ) m]

58

BOYLESTAD, Robert. “Electricidad Electrónica y Electromagnetismo Principios y Aplicaciones”, Editorial Trillas S.A. México, 1993. Segunda edición. Pág 196, 197.

64

Amortiguador magnetoreológico 59

Para materiales ferromagnéticos µ r≥ 1000, para materiales como el aire, vidrio y

madera µ r = 1. Una bobina de N espiras y corriente I alrededor de un núcleo ferromagnético produce una fuerza magnetomotriz F (fmm) que esta dada por:

F = NI [ Ampere − espira ]

N = número de espiras. I = intensidad de corriente en Amperios. 60

El flujo magnético establecido por una fuerza magnetomotriz en particular se

determina mediante la reluctancia del núcleo, cuanto mayor sea la oposición, menor es el flujo magnético. Como se puede deducir existe una similitud o semejanza entre la ley de Ohm para circuitos eléctricos y los circuitos magnéticos, cuya ecuación se la expresa de la siguiente manera:

Φ=

F NI [Wb] = ℜ ℜ

Si consideramos la figura 3.11 se observa en una apreciación general el comportamiento del flujo magnético cuando debe atravesar una determinada superficie, donde recibe el nombre de densidad de flujo o inducción magnética, que viene dada en Teslas y está determinada por la ecuación:

B=

Φ [T ] A

59

BOYLESTAD, Robert. “Electricidad Electrónica y Electromagnetismo Principios y Aplicaciones”, Editorial Trillas S.A. México, 1993. Segunda edición. Pág 197. 60 BOYLESTAD, Robert. “Electricidad Electrónica y Electromagnetismo Principios y Aplicaciones”, Editorial Trillas S.A. México, 1993. Segunda edición. Pág 198.

65

Amortiguador magnetoreológico B = inducción magnética o densidad de flujo magnético en teslas (T). Φ = flujo magnético en webers (Wb).

A = área en m2.

1

I N espiras

2

I 3

Figura 3.11 Recorrido del flujo magnético.

61

La fuerza magnetomotriz por unidad de longitud necesaria para establecer un flujo

determinado en el núcleo se conoce como intensidad de campo magnético H, que está determinado por:

H=

F NI = l l

[Amp − vuelta / m]

La intensidad de campo magnético H y la inducción magnética B se relacionan de la siguiente manera:

61

BOYLESTAD, Robert. “Electricidad Electrónica y Electromagnetismo Principios y Aplicaciones”, Editorial Trillas S.A. México, 1993. Segunda edición. Pág 199.

66

Amortiguador magnetoreológico

B = µ H [T ]

Existen curvas en las cuales se proporcionan las relaciones entre B y H para diferentes materiales, donde, dependiendo de la necesidad de diseño se puede obtener los datos necesarios. La fuerza magnetomotriz F producida por la circulación de corriente en la bobina, debe ser la suficiente para que el flujo pueda atravesar todo el circuito magnético. En la figura 3.11 se considera que en los segmentos 1, 2 y 3 se produce una caída de fuerza magnetomotriz (análoga a lo que sucede con un circuito eléctrico en serie con el voltaje). Si se traduce en ecuaciones aplicando la Ley de Ampere se tiene:

F = NI = ∫ H ⋅ dl = ∫ H ⋅ dl + ∫ H ⋅ dl + ∫ H ⋅ dl 1

2

3

= H 1l1 + H 2 l 2 + H 3 l3

En el caso de que exista uno o más entrehierros, se considera como otra caída de fuerza magnetomotriz. El calculo de esta caída se la realiza como si se tuviera una sección sólida, tomando en cuenta el tipo de material que se tiene en el entrehierro, ya que, no se puede considerar para esta tesis como el aire. Otro punto importante a considerar es que en los bordes del núcleo próximo al entrehierro existe una dispersión de flujo, podemos considerar para cálculos que existe una caída adicional entre un 10 a 20% a la calculada. La caída NI en el entrehierro es a menudo mucho mayor que la caída en el núcleo, se puede decir que la magnitud de la fuerza magnetomotriz es justamente para vencer la caída en el entrehierro, es decir, la caída en el núcleo es casi insignificante en relación a la caída en el entrehierro.

67

Amortiguador magnetoreológico

3.2.1 CALCULO DEL ELECTROIMAN. Una consideración adicional muy importante que se debe hacer, es que el espacio del entrehierro está ocupado por una mezcla de aceite hidráulico y limallas de hierro, por lo tanto, debe tener una permeabilidad resultante de dicha mezcla. Para efectos de cálculo se puede considerar una permeabilidad aproximada, tomando como base la permeabilidad del hierro. Al realizar las mediciones de la inducción magnética se realizará las correcciones para así obtener un valor real de la permeabilidad de la mezcla. De las figuras 3.12 y 3.13 se puede sacar muchos parámetros que servirán para la obtención de de los datos requeridos para la construcción del electroimán.

Figura 3.12 Dimensiones del circuito magnético del amortiguador MR.

En primer lugar se observa que el flujo magnético Φ1 se divide para las dos secciones del núcleo Φ2 y Φ3, por lo tanto el flujo total Φ1 viene dado por:

68

Amortiguador magnetoreológico Φ 1 = Φ 2 + Φ 3 [Wb]

a

d

L3

A1

La

Figura 3.13 Dimensiones del núcleo del electroimán.

Por otro lado el flujo magnético Φ1 también esta dado por:

Φ 1 = B1 A1 [Wb ]

De la gráfica 3.12 se calcula el área de la sección transversal del núcleo A1 que es:

d  A1 = π   2

[m ]

2

2

Obtenemos así que:

d  Φ1 = B1 π   2

2

[Wb]

69

Amortiguador magnetoreológico Los flujos magnéticos Φ2 y Φ3 son iguales por la geometría del núcleo. Dado que la sección por donde circulan Φ2 y Φ3 es circular, se debe calcular el área de la sección lateral de la culata y dividirla para dos (ver figura 3.13).

A3

A2

Figura 3.13 Superficie lateral de la culata del núcleo.

A2 = A3 = π

la a

2

[m ] 2

Entonces:

 l a Φ 2 = Φ 3 = B2  π a  [Wb]  2 

Se considera que el flujo en el entrehierro es igual a Φ2, además el espacio del mismo está ocupado por una mezcla aceite hidráulico y limallas de hierro, por lo tanto el medio tendrá una permeabilidad del fluido µ f. Otra consideración importante es que se produce una dispersión en los bordes de la culata del núcleo hacia el entrehierro, por lo tanto, se debe considerar que existirá un 10 a 20% de caída de de fuerza magnetomotriz F. Entonces, se calcula primero la intensidad de campo magnético Hg1 en el entrehierro añadiendo un 15% a la misma:

H g1 =

1  Φ2    + 15% µ1  A2 

[Amp − vuelta / m]

70

Amortiguador magnetoreológico

Ahora se realiza el cálculo del número de espiras N necesarias para producir el flujo magnético requerido aplicando la siguiente ecuación:

F = F1 + Fg1 + F3 + Fg 2 + F2

[Amp − vuelta]

F1=F2 = caída de fmm en la sección 1 del núcleo. Fg1=Fg2 = caída de fmm en el entrehierro F3= caída de fmm en la sección del cilindro interior del amortiguador.

La ecuación anterior se puede reemplazar de la siguiente manera:

l  l  NI = H 1  a  + H g1l g + H 3l3 + H g 2l g + H 2  a  2 2

[Amp − vuelta]

Ahora se puede obtener el número de espiras necesarias N si se conoce el valor de la intensidad de corriente I. Los valores de la intensidad de campo magnético se obtienen de curvas B-H para cada material utilizado. Debido a que no se cuenta con la curva B-H del fluido magnetoreológico, y por consiguiente, el valor de Hg para un determinado Bg. En primera instancia se puede suponer el valor de la permeabilidad magnética del fluido magnetoreológico, como un valor promedio entre la permeabilidad de las limallas de hierro y el aceite que se considerara como si fuese igual a la permeabilidad magnética del aire. Partiendo de

71

Amortiguador magnetoreológico este supuesto se realiza el cálculo para el dimensionamiento del electroimán utilizando las ecuaciones anteriormente descritas. Imponiendo un valor de inducción magnética de 0.7 T y tomando un valor de permeabilidad magnética del fluido próximo a la del aceite hidráulico que es 1.26 x 10-6 Wb/ A-m. Después de construido el electroimán, se realizará las correcciones de estos valores supuestos para obtener una medida más aproximada a la realidad de el fluido magnetoreológico obtenido en el desarrollo de esta tesis; el procedimiento de estas correcciones se explica en el capítulo V de Pruebas y Mediciones. En la siguientes tabla se muestran los resultados obtenidos para la construcción del electroimán del amortiguador magnetoreológico, recuérdese que los valores resaltados se corregirán al realizar las pruebas del capitulo V.

DATOS MAGNETICOS Inducción Magnética Material B1= 0,7 Tesla Hierro colado Bg1= 0,7 Tesla Hierro-aceite Bc= 0,7 Tesla Acero colado Bg2= 0,7 Tesla Hierro-aceite B2= 0,7 Tesla Hierro colado Permeabilidad magnetica Material µf= 1,26E-06 Wb/A-m Aceite µh= 0,000175 Wb/A-m Hierro µg= 8,81E-06 Wb/A-m Hierro-aceite Intensidad de Campo Magnético Material H1= 4000 Amp-vuelta/m Hierro colado Hg1= 79429,63 Amp-vuelta/m Hierro-aceite Hc= 375 Amp-vuelta/m Acero colado Hg2 =79429,63 Amp-vuelta/m Hierro-aceite H2= 4000 Amp-vuelta/m Hierro colado Tabla 3.1 Datos magnéticos para el cálculo del electroimán.

72

Amortiguador magnetoreológico DATOS GEOMETRICOS d= 0,02 La= 0,04 Lg= 0,003275 Lh= 0,05 e= 0,0027 a= 0,01 L1= 0,020009 L2= 0,020009 L3= 0,06

m m m m m m m m m

Tabla 3.2 Datos geométricos para el cálculo del electroimán.

P= V= I=

DATOS ELECTRICOS 24 Watios 12 Voltios 2 Amperios

Tabla 3.3 Datos eléctricos para el cálculo del electroimán.

A1= A2= A3= Φ1= Φ2= Φ3= Φg= N=

CALCULOS 0,000314159 0,000628319 0,000628319 0,000219911 0,000439823 0,000439823 0,000505796 351,3820482

m2 m2 m2 Webers Webers Webers Webers Espiras

Tabla 3.4 Valores para la construcción del electroimán.

δ= S= dc= Nc= #C= Ab=

DIMENSIONES BOBINA 3,5 Amp/mm2 0,571428571 mm2 0,852974474 mm 58,61840125 Espiras/capa 5,994398357 Capas 5,113068789 mm

DATOS BOBINA MEC./ELEC. awg= 21 longitud media= 0,0357 Km 0,130305 Kg peso= 0,286671 Lb 4,586736 Onz Resistencia 20ºc= 1,5 Ohm

Tabla 3.5 Dimensiones de la bobina para la construcción del electroimán.

73

Amortiguador magnetoreológico Para la construcción del electroimán se siguen los pasos recomendados por los textos o manuales de electromecánica, eso si, hay que tener en consideración que se debe sellar todos los espacios por donde pueda filtrarse el fluido hacia el interior del electroimán o a través del agujero que sirve para introducir los conductores de alimentación, una solución es utilizar macilla epoxica.

En la figura 13.14 a y 13.14 b se muestra el electroimán terminado.

Figura 3.14a Electroimán del amortiguador MR

Figura 3.14 b Electroimán del amortiguador MR

74

Amortiguador magnetoreológico A continuación se presenta una forma más sencilla de obtener el número de espiras necesarias para producir el campo magnético requerido para originar el esfuerzo cortante óptimo para el amortiguador. Se utiliza las curvas proporcionadas por Lord Corporation Engineering Note (1999b). Para comenzar con el diseño, utilizaremos las gráficas 3.15a, 3.15b y 3.15c. Una vez diseñado y construido el prototipo, obtendremos las graficas similares a estas curvas. El procedimiento a seguir para el diseño del circuito magnético es usualmente el siguiente: 1.- Determinar la inducción magnética Bf en el fluido MR para obtener el esfuerzo cortante τ0 deseado. Utilizar figura 3.15a. 2.- Determinar la intensidad de campo Hf en el fluido MR. Utilizar la figura 3.15b. 3.- El flujo magnético total inducido esta dado por:

Φ = B f Af

donde Af es el área polar efectiva, incluido los bordes. A causa de la continuidad del flujo magnético inducido, la inducción magnética en el hierro o acero Bs viene dado por:

Bs =

Φ B f Af = As As

75

Amortiguador magnetoreológico 4.- Determinar la intensidad del campo magnético en el acero Hs. Utilizar la

figura 3.15c. 5.- Utilizando la ley de Kirchoff para circuitos magnéticos se determina el número de amperios vuelta NI.

NI = ∑ H i Li = H f g + H s L g =2h

L = L s + Lc

Figura 3.15a Lord Corporation Engineering Note (1999b).

76

Amortiguador magnetoreológico

Figura 3.15b Lord Corporation Engineering Note (1999b).

Figura 3.15c Lord Corporation Engineering Note (1999b)

77

Amortiguador magnetoreológico 62

Hay que considerar ciertos efectos durante el proceso de construcción, como por

ejemplo las propiedades no lineales del fluido MR y el núcleo de acero, posibles pérdidas en las uniones y bordes, voltajes, corrientes e inductancias; corrientes parásitas.

3.3 DISEÑO DEL CIRCUITO ELÉCTRICO DE ALIMENTACIÓN PARA EL ELECTROIMÁN. 63

Los amortiguadores MR utilizan corriente que atraviesa la bobina y este a su vez

genera un campo magnético

y así el esfuerzo cortante en el fluido MR. Esta

corriente puede proporcionar una fuente de voltaje o una corriente de descarga. Si el amortiguador MR o la fuente de poder sufren una desconexión repentina, esto causa un circuito abierto, la corriente que circula a través de la bobina se parara abruptamente. De acuerdo con la ley de inducción de Faraday, un voltaje desarrollado a través de la bobina se obtiene por

V (t ) = − L

di dt

Como indica la ecuación anterior el voltaje es proporcional a la razón de cambio de del flujo de la corriente. Cuando se produce una desconexión, la razón de cambio es muy alta; esto puede causar un sobre voltaje a través de la bobina, especialmente en una bobina de amortiguador MR la cual tiene una gran inductancia. Este sobre voltaje romperá el aislamiento de la bobina a causa del cortocircuito. Como resultado de lo anterior la bobina no podrá generar el suficiente campo magnético a través del entrehierro por donde circula el fluido MR, reduciendo la fuerza del amortiguador significativamente. 62

G.YANG. “Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modelling, Testing and Control”. PhD dissertation. University of Notre Dame, 2001. Pág 70. 63 G.YANG. “Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modelling, Testing and Control”. PhD dissertation. University of Notre Dame, 2001. Pág 71, 72.

78

Amortiguador magnetoreológico 64

Para proteger el bobinado de los sobrevoltajes, se conecta un supresor de voltajes

transitorios en paralelo al bobinado del amortiguador para limitar los niveles de voltajes. Comúnmente los supresores de voltajes transitorios tienen una gran resistencia cuando el voltaje esta por debajo de un valor de voltaje establecido como el normal de trabajo. Sin embargo cuando dicho valor de voltaje de trabajo es excedido, el supresor de voltajes transitorios comienza a conducir debido a la ruptura de avalancha de la unión PN, manteniendo así un nivel aceptable de voltaje en la bobina. El supresor de voltajes transitorios restablece su estado inicial de funcionamiento cuando el voltaje retorna a un nivel óptimo de funcionamiento. En la figura 3.16a se muestra un esquema del circuito eléctrico para suprimir los voltajes transitorios que se pueden producir el la bobina del a amortiguador MR. En condiciones normales de funcionamiento la corriente fluye a través del supresor de voltajes transitorios es muy pequeña, actuando como un interruptor abierto figura 3.16b. Cuando existe una desconexión de un cable, el valor de voltaje que atraviesa la bobina

sobrepasará los niveles preestablecidos de normal funcionamiento,

actuando en ese momento el supresor de voltajes figura 3.15c. Por lo tanto, el voltaje a través del bobinado es suprimido hasta un nivel seguro de funcionamiento, además la energía almacenada en el bobinado es disipada por la resistencia del mismo bobinado del amortiguador.

Figura 3.16a Circuito eléctrico supresor de voltajes transitorios.

64

G.YANG. “Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modelling, Testing and Control”. PhD dissertation. University of Notre Dame, 2001. Pág 72, 73.

79

Amortiguador magnetoreológico

Figura 3.16b Operación normal de funcionamiento.

X L DC

i

v

RL

X Desconexión

Bobinado del amortiguador MR

Figura 3.16c Operación cuando se produce un exceso de voltaje.

La fuente de alimentación que se utiliza es una regulable con una capacidad de carga de 2 Amp y con los siguientes voltajes 0 - 3 - 4.5 - 6 - 7.5 – 9 y 12 V.

80

Amortiguador magnetoreológico

3.4 LLENADO DEL FLUIDO MAGNETOREOLÓGICO DENTRO DEL AMORTIGUADOR. Considerando la teoría de los capítulos I y II se procede a medir la cantidad apropiada de aceite hidráulico y el polvo de hierro. Para el interés de esta tesis se realizará tres llenados que contengan un 20%, 30% y 40% de partículas de hierro del volumen total útil de la cámara del amortiguador. Antes de llenar el amortiguador con el fluido MR, se coloca alrededor de la rosca del cilindro cinta de teflón (figura 3.17); de las que se utiliza para las tuberías de agua para evitar que existan filtraciones del fluido magnetoreológico cuando comience a trabajar el amortiguador.

Figura 3.17 Colocación de la cinta de teflón alrededor del cilindro.

Una vez obtenido el fluido MR, que ya fue explicado en el capítulo II; colocamos primero el electroimán en el interior del cilindro del amortiguador; luego de haber agitado por un par de minutos el fluido MR, vaciamos el mismo dentro del cilindro del amortiguador como se muestra en la figura 3.18 a. El próximo paso es acoplar el cilindro con la tapa para sellar el amortiguador; como queda aún un espacio pequeño de aire en la parte superior del amortiguador, se

81

Amortiguador magnetoreológico termina de llenarlo a través del orificio lateral de la tapa como se muestra en la figura 3.18 b.

Figura 3.18 a Llenado parcial del amortiguador con fluido MR.

Figura 3.18 b Llenado total del amortiguador con fluido MR.

Ahora el amortiguador esta listo para realizar las pruebas y obtener así los datos o valores requeridos en el capítulo siguiente.

82

Amortiguador magnetoreológico

CAPITULO IV

83

Amortiguador magnetoreológico

4 PRUEBAS Y MEDICIONES.

En este capítulo se realiza las mediciones de algunos datos que sirven para el cálculo de los diferentes factores, que permiten determinar y comprender el comportamiento del amortiguador magnetoreológico. Los datos que se miden en este capítulo son:




Corrientes.




Voltajes.




Tiempo de desplazamiento.




Pesos de carga,




Distancia recorrida.




Densidad de los diferentes fluidos utilizados.




Área de fricción.

Con estos datos se puede calcular las diferentes variables que muestran el comportamiento del amortiguador y del fluido magnetoreológico para los diferentes porcentajes de mezcla entre aceite y limallas. Se obtiene también las curvas de relaciones existentes entre las diferentes variables. El procedimiento para obtener los datos es el mismo para los diferentes porcentajes de mezclas: 1. Una vez llenado el amortiguador con el fluido MR en sus diferentes porcentajes de mezclas, se arma y sella cuidadosamente, observando que no exista ninguna filtración de fluido. 2. Se fija un extremo del amortiguador en este caso el émbolo a una soporte estático y el otro extremo un peso de carga suficiente para poder desplazar hacia abajo el amortiguador como se muestra en la figura 4.1

84

Amortiguador magnetoreológico

P P

Figura 4.1 Sistema para medir las variables mecánicas y eléctricas.

3. Armado el sistema procedemos a medir los términos que no van a variar para las diferentes pruebas, estas son, la distancia que se desplaza y el peso de carga. 4. Se conecta el electroimán del amortiguador a la fuente regulable de alimentación y medimos el tiempo de desplazamiento del amortiguador y la corriente que consume para los diferentes voltajes, es recomendable realizar tres mediciones para luego sacar un promedio. El procedimiento es el mismo para las diferentes mezclas de los fluidos. En las siguientes tablas se tabulan los resultados obtenidos, además se grafican las diferentes relaciones entre la variables de interés.

85

Amortiguador magnetoreológico Un valor muy importante es la viscosidad de cada una de las mezclas, para esto realizamos un procedimiento sencillo que consiste en tomar un recipiente con escala que generalmente viene en mililitros, se llena de fluido hasta 300 ml, y se pesa el mismo. Se aplica luego la ecuación:

p=

P V

Se obtiene así el peso específico a través del peso y el volumen. Para obtener la densidad simplemente dividimos el peso específico para la gravedad. En las siguientes tablas se tabulan los valores obtenidos para las diferentes mezclas.

ACEITE HIDRAULICO PARA TRANSMISION Valvoline ATF Peso [Kg] 0,2556

Densidad [Kg/m3] 852,00

FLUIDO MAGNETOREOLOGICO 20% DE LIMALLAS Peso [Kg] 0,284

Densidad [Kg/m3] 946,67

FLUIDO MAGNETOREOLOGICO 30% DE LIMALLAS Peso [Kg] 0,3125

Densidad [Kg/m3] 1041,67

FLUIDO MAGNETOREOLOGICO 40% DE LIMALLAS Peso [Kg] 0,4545

Densidad [Kg/m3] 1515,00

Tabla 4.1 Densidad de los fluidos magnetoreológicos.

86

Amortiguador magnetoreológico

4.1 PRUEBAS Y MEDICIONES EN EL AMORTIGUADOR CON 20% DE LIMALLAS.

PRUEBAS EN EL AMORTIGUADOR 1

Voltaje [V] 0 3 4,5 6 7,5 9 12

Peso Amortiguador [Kg]: % Limallas:

1,587 20

Corriente [A]

Tiempo desplazamiento [seg] t1 t2 t3 0,27 0,3 0,28 0,33 0,3 0,31 0,41 0,39 0,39 0,5 0,45 0,48 0,54 0,55 0,58 0,63 0,6 0,64 0,75 0,7 0,73

0,00 0,46 0,69 0,92 1,15 1,38 1,85

Peso Carga [Kg] 8,164 8,164 8,164 8,164 8,164 8,164 8,164

Area lateral [m2]: Densidad [kg/m3]:

0,008796 852,00

t [seg] 0,283 0,313 0,397 0,477 0,557 0,623 0,727

Dist. [m] velocidad [m/s] 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14

0,494117647 0,446808511 0,352941176 0,293706294 0,251497006 0,22459893 0,19266055

τ[Pa] 928,15 928,15 928,15 928,15 928,15 928,15 928,15

µ [Pa-s]

ν[ m2/s]

5,64 6,23 7,89 9,48 11,07 12,40 14,45

0,0066 0,0073 0,009 0,011 0,013 0,015 0,017

Tabla 4.2 Mediciones y cálculos de datos del amortiguador con 20% de limallas.

87

Amortiguador magnetoreológico

Viscosidad dinámica [Pa-s]

CURVA VOLTAJE-VISCOSIDAD DINAMICA 16,00 15,00 14,00 13,00 12,00 11,00 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00

Serie1

0

1,5

3

4,5

6

7,5

9

10,5

12

13,5

Voltaje [V]

Figura 4.2 Curva Voltaje-Viscosidad dinámica 20%.

Viscosidad cinemática[m2/s]

CURVA VOLTAJE-VISCOSIDAD CINEMATICA 0,0180 0,0160 0,0140 0,0120 0,0100 0,0080 0,0060 0,0040 0,0020

Serie1

0,0000 0

1,5

3

4,5

6

7,5

9

10,5

12

13,5

Voltaje [V]

Figura 4.3 Curva Voltaje-Viscosidad cinemática 20%.

88

Amortiguador magnetoreológico

CURVA VOLTAJE-VELOCIDAD DE DESPLAZAMIENTO 0,6 Velocidad [m/s]

0,5 0,4 0,3

Serie1

0,2 0,1 0 0

1,5

3

4,5

6

7,5

9

10,5

12

13,5

Voltaje [V]

Figura 4.4 Curva Voltaje-Velocidad de desplazamiento 20%.

Viscosidad dinámica [Pa-s]

CURVA CORRIENTE-VISCOSIDAD DINAMICA 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00

Serie1

6,00 4,00 2,00 0,00 0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

1,25

1,50

1,75

2,00

Corriente[A]

Figura 4.5 Curva Corriente-Viscosidad dinámica 20%.

89

Amortiguador magnetoreológico

Viscasidad cinemática [m2/s]

CURVA CORRIENTE-VISCOSIDAD CINEMATICA 0,0180 0,0160 0,0140 0,0120 0,0100 0,0080 0,0060 0,0040 0,0020 0,0000 0,00

Serie1

0,25

0,50

0,75

1,00

1,25

1,50

1,75

2,00

Corriente [A]

Figura 4.6 Curva Corriente-Viscosidad cinemática 20%.

CURVA CORRIENTE-VELOCIDAD DE DESPLAZAMIENTO

Velocidad [m/s]

0,6 0,5 0,4 0,3

Serie1

0,2 0,1 0 0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

1,25

1,50

1,75

2,00

Corriente [A]

Figura 4.7 Curva Corriente-Velocidad de desplazamiento 20%.

90

Amortiguador magnetoreológico

Esfuerzo cortante [Pa]

CURVAS RAZON DE CAMBIO DE VELOCIDADESFUERZO CORTANTE. 20% 3400 3300 3200 3100 3000 2900 2800 2700 2600 2500 2400 2300 2200 2100 2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

3 voltios 4,5 voltios 6 voltios 7,5 voltios 9 voltios 12 voltios

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Razón de cambio de velocidad [m/s]

Figura 4.8 Razón de cambio de velocidad-Esfuerzo cortante 20%.

CURVAS RAZON DE CAMBIO DE VELOCIDADESFUERZO CORTANTE. 20% 600 550

Esfuerzo cortante [Pa]

500 450

3 voltios 4,5 voltios 6 voltios 7,5 voltios 9 voltios 12 voltios

400 350 300 250 200 150 100 50 0

0

0,05

0,1

Razón de cambio de velocidad [m/s]

Figura 4.9 Razón de cambio de velocidad-Esfuerzo cortante (ampliada) 20%.

91

Amortiguador magnetoreológico Como se puede observar en las curva 4.7 y 4.8, las mismas muestran que el fluido magnetoreológico se comporta como un fluido Plástico de Bingham vista en el capítulo 1 (figura 1.27). En las curvas se mira que en primer lugar se tiene que vencer un esfuerzo umbral producido por la aplicación del campo magnético. Una vez vencido este esfuerzo umbral, el fluido MR se comporta como un fluido newtoniano, con una viscosidad diferente para cada valor de voltaje o corriente.

92

Amortiguador magnetoreológico

4.2 PRUEBAS Y MEDICIONES EN EL AMORTIGUADOR CON 30% DE LIMALLAS. PRUEBAS EN EL AMORTIGUADOR 2 Peso Amortiguador [Kg]: % Limallas:

Voltaje [V] Corriente [A] 0 0 3 0,46153846 4,5 0,69230769 6 0,92307692 7,5 1,15384615 9 1,38461538 12 1,84615385

Peso Carga [Kg] 8,164 8,164 8,164 8,164 8,164 8,164 8,164

1,8143 30

Area lateral [m2]: Densidad [kg/m3]:

Tiempo desplazamiento [seg] t1 t2 t3 0,33 0,33 0,36 0,43 0,39 0,41 0,47 0,48 0,48 0,56 0,55 0,54 0,61 0,6 0,59 0,67 0,65 0,64 0,78 0,76 0,77

0,008796 946,67

t [seg] 0,340 0,410 0,477 0,550 0,600 0,653 0,770

Dist. [m] 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14

velocidad [m/s] τ [Pa] 0,411764706 928,15 0,341463415 928,15 0,293706294 928,15 0,254545455 928,15 0,233333333 928,15 0,214285714 928,15 0,181818182 928,15

µ [Pa-s] ν[ m2/s] 6,76 0,007 8,15 0,009 9,48 0,010 10,94 0,012 11,93 0,013 12,99 0,014 15,31 0,016

Tabla 4.3 Mediciones y cálculos de datos del amortiguador con 30% de limallas.

93

Amortiguador magnetoreológico

Viscosidad dinámica [Pa-s]

CURVA VOLTAJE-VISCOSIDAD DINAMICA 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00

Serie1

0

1,5

3

4,5

6

7,5

9

10,5

12

13,5

Voltaje [V]

Figura 4.10 Curva Voltaje-Viscosidad dinámica 30%.

Viscosidad cinemática [m2/s]

CURVA VOLTAJE-VISCOSIDAD CINEMATICA 0,018 0,016 0,014 0,012 0,010 0,008 0,006 0,004 0,002 0,000

Serie1

0

1,5

3

4,5

6

7,5

9

10,5

12

13,5

Voltaje [V]

Figura 4.11. Curva Voltaje-Viscosidad cinemática 30%.

94

Amortiguador magnetoreológico

Velocidad [m2/s]

CURVA VOLTAJE-VELOCIDAD DE DESPLAZAMIENTO 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

Serie1

0

2

4

6

8

10

12

14

Voltaje [V]

Figura 4.12 Curva Voltaje-Velocidad de desplazamiento 30%.

Viscosidad dinámica [Pa-s]

CURVA CORRIENTE-VISCOSIDAD DINAMICA 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00

Serie1

0

0,25

0,5

0,75

1

1,25

1,5

1,75

2

Corriente [A]

Figura 4.13 Curva Corriente-Viscosidad dinámica 30%.

95

Amortiguador magnetoreológico

Viscosidad cinemática [m2/s]

CURVA CORRIENTE-VISCOSIDAD CINEMATICA 0,018 0,016 0,014 0,012 0,010 0,008 0,006 0,004 0,002 0,000

Serie1

0

0,25

0,5

0,75

1

1,25

1,5

1,75

2

Corriente [A]

Figura 4.14 Curva Corriente-Viscosidad cinemática 30%.

CURVA CORRIENTE-VELOCIDAD DE DESPLAZAMIENTO

Velocidad [m/s]

0,5 0,4 0,3 Serie1 0,2 0,1 0 0

0,25

0,5

0,75

1

1,25

1,5

1,75

2

Corriente [A]

Figura 4.15 Curva Corriente-Velocidad de desplazamiento 30%.

96

Amortiguador magnetoreológico

3050 2950 2850 2750 2650 2550 2450 2350 2250 2150 2050 1950 1850 1750 1650 1550 1450 1350 1250 1150 1050 950 850 750 650 550 450 350 250 150 50 -50

3 voltios 4,5 voltios 6 voltios 7,5 voltios 9 voltios 12 voltios

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Razón de velocidad de cambio [m/s]

Figura 4.16 Razón de velocidad de cambio-Esfuerzo cortante 30%.

CURVAS RAZON DE CAMBIO DE VELOCIDADESFUERZO CORTANTE. 30% 750 700 650 600 550

Esfuerzo cortante [Pa]

Esfuerzo cortante [Pa]

CURVAS RAZON DE CAMBIO DE VELOCIDADESFUERZO CORTANTE. 30%

500

3 voltios

450

4,5 voltios 6 voltios

400

7,5 voltios 9 voltios

350 300

12 voltios 250 200 150 100 50 0

0

0,05

0,1

Razón de velocidad de cambio [m/s]

Figura 4.17 Razón de velocidad de cambio-Esfuerzo cortante (ampliada) 30%.

97

Amortiguador magnetoreológico

4.3 PRUEBAS Y MEDICIONES EN EL AMORTIGUADOR CON 40% DE LIMALLAS.

PRUEBAS EN EL AMORTIGUADOR 3

Peso Amortiguador [Kg]: % Limallas:

Voltaje [V] 0 3 4,5 6 7,5 9 12

Corriente [A] 0 0,46153846 0,69230769 0,92307692 1,15384615 1,38461538 1,84615385

Peso Carga [Kg] 8,164 8,164 8,164 8,164 8,164 8,164 8,164

2,7215 40

Area lateral [m2]: Densidad [kg/m3]:

Tiempo desplazamiento [seg] t1 t2 t3 0,35 0,37 0,4 0,41 0,41 0,43 0,55 0,52 0,53 0,75 0,78 0,77 1,03 1,08 1,06 1,33 1,35 1,35 1,4 1,42 1,44

0,008796 1515,00

t [seg] 0,373 0,417 0,533 0,767 1,057 1,343 1,420

Dist. [m] velocidad [m/s] 0,14 0,375 0,14 0,336 0,14 0,2625 0,14 0,182608696 0,14 0,132492114 0,14 0,104218362 0,14 0,098591549

t

[Pas] µ [Pa-s] 928,15 7,43 928,15 8,29 928,15 10,61 928,15 15,25 928,15 21,02 928,15 26,72 928,15 28,24

ν[ m2/s] 0,005 0,005 0,007 0,010 0,014 0,018 0,019

Tabla 4.4 Mediciones y cálculos de datos del amortiguador con 40% de limallas.

98

Amortiguador magnetoreológico

Viscosidad dinámica [Pa-s]

CURVA VOLTAJE-VISCOSIDAD DINAMICA 30,00 25,00 20,00 15,00

Serie1

10,00 5,00 0,00 0

1,5

3

4,5

6

7,5

9

10,5

12

13,5

Voltaje [V] Figura 4.18 Curva Voltaje-Viscosidad dinámica 40%.

Viscosidad cinemática [m2/s]

CURVA VOLTAJE-VISCOSIDAD CINEMATICA 0,020 0,015 0,010

Serie1

0,005 0,000 0

1,5

3

4,5

6

7,5

9

10,5

12

13,5

Voltaje [V]

Figura 4.19 Curva Voltaje-Viscosidad cinemática 40%.

99

Amortiguador magnetoreológico

Velocidad [m/s]

CURVA VOLTAJE-VELOCIDAD DE DESPLAZAMIENTO 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

Serie1

0

1,5

3

4,5

6

7,5

9

10,5

12

13,5

Voltaje [V]

Figura 4.20 Curva Voltaje-Velocidad de desplazamiento 40%.

Viscosidad dinámica [Pa-s]

CURVA CORRIENTE-VISCOSIDAD DINAMICA 30,00 25,00 20,00 15,00

Serie1

10,00 5,00 0,00 0

0,25

0,5

0,75

1

1,25

1,5

1,75

2

Corriente [A]

Figura 4.21 Curva Corriente-Viscosidad dinámica 40%.

100

Amortiguador magnetoreológico

Viscosidad cinemática [m2/s]

CURVA CORRIENTE-VISCOSIDA CINEMATICA 0,020 0,015 0,010

Serie1

0,005 0,000 0

0,5

1

1,5

2

Corriente [A]

Figura 4.22 Curva Corriente-Viscosidad cinemática 40%.

Velocidad [m/s]

CURVA CORRIENTE-VELOCIDAD DE DESPLAZAMIENTO 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

Serie1

0

0,25

0,5

0,75

1

1,25

1,5

1,75

2

Corriente [A]

Figura 4.23 Curva Corriente-Velocidad de desplazamiento 40%.

101

Amortiguador magnetoreológico

6400 6200 6000 5800 5600 5400 5200 5000 4800 4600 4400 4200 4000 3800 3600 3400 3200 3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

3 voltios 4,5 voltios 6 voltios 7,5 voltios 9 voltios 12 voltios

0

0,0 0,1 0,1 0,2 0,2 0,3 0,3 0,4 0,4 0,5 0,5 0,6 5 5 5 5 5 5 Razón de velocidad de cambio [m/s]

Figura 4.24 Curvas Razón de velocidad de cambio-Esfuerzo cortante 40%.

CURVAS RAZON DE CAMBIO DE VELOCIDADESFUERZO CORTANTE, 40%

Esfurezo cortante [Pa]

Esfurezo cortante [Pa]

CURVAS RAZON DE CAMBIO DE VELOCIDAD-ESFUERZO CORTANTE, 40%

1000 950 900 850 800 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

3 voltios 4,5 voltios 6 voltios 7,5 voltios 9 voltios 12 voltios

0

0,05

0,1

Razón de velocidad de cambio [m/s]

Figura 4.24 Curvas Razón de velocidad de cambio-Esfuerzo cortante 40% (ampliada).

102

Amortiguador magnetoreológico

4.4 DETERMINACION DE LA PERMEABILIDAD MAGNETICA DEL FLUIDO MR. En el capítulo anterior se realizó el cálculo para la construcción del electroimán para el amortiguador MR, imponiéndose valores de la inducción magnética, permeabilidad magnética y por consiguiente la intensidad de campo magnética, obteniéndose un valor de 351 espiras. Ahora se procede a corregir los valores de Bg, µ g y Hg, realizando la siguiente prueba que dará una mejor aproximación

a los valores reales de estas magnitudes

magnéticas del fluido MR. La prueba consiste en determinar en primer lugar la fuerza de atracción del electroimán dentro de cada uno de los tres tipos de fluidos MR. El procedimiento es el siguiente: 1.- Llenar el cilindro exterior de amortiguador con el fluido MR. 2.- Introducir en el interior del cilindro del amortiguador el electroimán. 3.- Tomar un dinamómetro e introducir el extremo con la argolla metálica en el medio del entrehierro que se forma entre la culata del electroimán y el cilindro exterior del amortiguador.

Figura 4.25 Medición de la fuerza de atracción del electroimán.

103

Amortiguador magnetoreológico 4.- Una vez introducido el dinamómetro, energizar el electroimán y halar lentamente el otro extremo del dinamómetro hasta que se logre sacar el extremo introducido en el entrehierro del mismo, tomando así la fuerza de atracción del electroimán.

Figura 4.26 Medición de la fuerza de atracción del electroimán para diferentes valores de corriente.

Este proceso se lo realiza para cada fluido MR, es decir, para fluido MR con 20, 30 y 40% del volumen de partículas de hierro. Aplicando la fórmula de la fuerza de atracción de un electroimán, se puede obtener el valor aproximado de la inducción magnética que atraviesa el fluido MR. F = 2 π r I1 B [N ]

Donde: F= Fuerza de atracción del electroimán en Newtons. r= Es el radio medido desde el centro del electroimán hasta el cilindro exterior del amortiguador en m. I1= Corriente que circula por la bobina del electroimán en Amperios. B= Inducción magnética que atraviesa el fluido MR en Teslas. 104

Amortiguador magnetoreológico De la ecuación anterior se despeja B, y aplicando la ecuación:

µg =

Bg Hg

[Wb / ( A − m)]

El valor de Hg se puede obtener despejándola de la ecuación:

l  l  NI = H 1  a  + H g1l g + H 3l3 + H g 2l g + H 2  a  2 2 l  NI = 2 H1  a  + 2 H g1l g + H 3l3 2

[Amp − vuelta]

[Amp − vuelta]

En la siguiente tabla se detallan los valores obtenidos en la prueba. N= I= La/2 = Lg = L3 = H1 = B1 = u1 = H3 = B3 = u3 = 20% Hg = Bg= ug = 30% Hg = Bg= ug = 40% Hg = Bg= ug =

336 espiras 1,85 Amperios 0,01875 0,00375 0,059 4000 0,7 0,000175 375 0,7 0,001866667

m m m A/m Teslas Wb/A-m A/m Teslas Wb/A-m

59930 A/m 0,001752568 Teslas 2,92436E-08 Wb/A-m 59930 A/m 0,005747623 Teslas 9,59056E-08 Wb/A-m 59930 A/m 0,048004787 Teslas 8,01014E-07 Wb/A-m

Tabla 4.5 Magnitudes de Bg, µ g y Hg.

105

Amortiguador magnetoreológico

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

Conclusiones. Después de haber finalizado la presente tesis se llega a la conclusión de que es posible el desarrollo de tecnologías en nuestro país tomando como punto de partida los estudios y avances ya existentes.




Es posible la manipulación de los nuevos materiales llamados inteligentes y realizar un sinnúmero de aplicaciones industriales o comerciales.




Los campos magnéticos se pueden utilizar para cambiar la reología de los materiales, en el caso de los fluidos magnetoreológicos, al aplicar un acampo magnético podemos variar la viscosidad del mismo.




Un fluido magnetoreológico se comporta como un plástico de Bingham, donde se necesita vencer en primer lugar el esfuerzo umbral producido por la alineación de las partículas de hierro con el campo magnético generado por el electroimán. Superado este umbral comienza a comportarse como una fluido newtoniano con una viscosidad dinámica mayor a la que se tiene sin la presencia del campo magnético.




Un amortiguador magnetoreológico tiene mejores prestaciones de servicio de los amortiguadores convencionales, ya que se puede regular la viscosidad y por ende el coeficiente de amortiguamiento de acuerdo a las necesidades, es decir, la amortiguación será variable.




La magnitud de esfuerzo que soporta el amortiguador está determinado tanto por la magnitud de campo magnético aplicado como por el porcentaje en volumen de partículas de hierro en la mezcla con el aceite. Mientras mayor sea el porcentaje de partículas de hierro mayor esfuerzo soportará el amortiguador.




Al observar el fluido magnetoreológico se concluye que las partículas de hierro más pequeñas se suspenden mejor y más tiempo en el aceite que las contiene, mientras que las más grandes se precipitan hacia la parte inferior del cilindro del amortiguador. Esto nos lleva a la conclusión de que mientras más pequeñas y homogéneas sean las partículas de hierro suspendidas se evita la

106

Amortiguador magnetoreológico sedimentación de las mismas y por consiguiente se puede manejar o manipular de mejor manera las características reológicas del fluido MR.




En lo referente a la parte eléctrica, se observó que el consumo es razonable ya que necesita de una potencia máxima de 24 W para cada amortiguador, es decir es muy viable la adaptación en lo referente al consumo de energía eléctrica.




El peso del amortiguador MR obviamente va a ser mayor que los amortiguador convencionales por motivos tales como las partículas de hierro al aceite, el peso de la bobinas del electroimán, esto dependerá del número de espiras y el porcentaje de limallas de hierro que tengan el electroimán y el fluido MR respectivamente.




Al realizar un agujero a través de émbolo del pistón del amortiguador se afecta negativamente la resistencia mecánica del mismo ante la aplicación de fuerzas de tracción y compresión que se producen en el funcionamiento del amortiguador, es decir, el área transversal del émbolo debe ser mayor para que pueda soportar los mismos esfuerzos para los que fue diseñado con un émbolo sin agujero.

Recomendaciones. En el desarrollo de este proyecto se encontró múltiples circunstancias que sirven para realizar ciertas recomendaciones que se detallan a continuación:




El primer paso en la obtención del fluido magnetoreológico es conseguir las partículas mas pequeñas posibles de hierro, de esto depende el buen funcionamiento del fluido MR, supongo que se lo puede hacer mediante un proceso químico.




Determinar cual es el mínimo y máximo esfuerzo al que estará expuesto el amortiguador, para determinar que porcentaje de volumen de partículas de hierro será el óptimo para satisfacer las necesidades del sistema.




El tipo de amortiguador que se recomienda utilizar para el diseño mecánico es el monotubo debido a que un amortiguador bitubo se pueden presentar problemas de presión interna al producirse una sedimentación

107

Amortiguador magnetoreológico de las partículas en la parte inferior del cilindro interior del amortiguador, esto a su vez puede tapar la circulación del fluido hacia la cámara de reserva.




Debido a que la permeabilidad del fluido MR es muy pequeña es recomendable que la intensidad de campo magnético que genere el electroimán sea lo más elevada posible para obtener el máximo valor de esfuerzo cortante y por consiguiente mayor dureza del amortiguador. Hay considerando las limitaciones inherentes en el consumo de energía eléctrica del electroimán, esta es una de las razones por la que es indispensable obtener un fluido MR con partículas de hierro suspendidas que ofrezcan la mayor permeabilidad magnética posible.




Sería muy importante que se siga desarrollando este proyecto para la aplicación del amortiguador magnetoreológico sobre todo en el área automotriz, donde se debe tomar en consideración el efecto que produce el peso del amortiguador en el sistema de suspensión y las variables que debe medir para controlar la amortiguación. A continuación explico en un diagrama de bloques las posibles variables a medir y controlar como es la corriente que recibirá el electroimán del amortiguador que a su vez generará el campo magnético necesario para variar la viscosidad del fluido MR y por ende la dureza del mismo.

Carrera del pistón del amortiguador

Aceleración del vehículo

Frecuencia de vibración en el habitáculo

CONTROLADOR

i Electroimán del amortiguador

108

Amortiguador magnetoreológico




Se puede utilizar un microprocesador para realizar el control de la amortiguación en el vehículo.




Se aconseja construir íntegramente todo el amortiguador ya que es más conveniente que adaptar uno por la razones de diseño mecánico y que ya se explico en algunos puntos anteriores.

109

Amortiguador magnetoreológico

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