ES2820374T3 - Aparato y método de ensayo de fricción - Google Patents

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Abstract

Aparato de ensayo para medir las propiedades de fricción de un fluido que comprende; un primer portaespecímenes (10) que está adaptado para sujetar un primer espécimen (13) en el fluido que se está sometiendo a ensayo, estando dicho fluido contenido en un tanque, de modo que una primera superficie de espécimen del primer espécimen (13) está en contacto con una segunda superficie de espécimen de un segundo espécimen (14), en un segundo portaespecímenes (15), el primer portaespecímenes (10) está conectado a un árbol (9) que se induce a mover en una primera dirección que es la dirección de la longitud del árbol (9), medios para aplicar una carga medible entre los dos especímenes (21), comprendiendo también dicho aparato de ensayo medios (1) de accionamiento oscilatorio para hacer oscilar el primer portaespecímenes (10), a lo largo de la primera dirección, medios de medida de desplazamiento para determinar la amplitud de oscilación del espécimen (13, 14) y medios de medida de fuerza para medir la fuerza de fricción entre los dos especímenes (13, 14); caracterizado porque el aparato incluye un peso (27) descentrado ubicado en el árbol (3), para inducir un movimiento entre los portaespecímenes primero y segundo en una segunda dirección que da como resultado un movimiento compuesto del portaespecímenes (10) superior en relación con el portaespecímenes (15) inferior en direcciones tanto axial como no axial.

Description

DESCRIPCIÓN
Aparato y método de ensayo de fricción
Antecedentes
Esta invención se refiere a un aparato y método para someter a ensayo las propiedades de lubricación de lubricantes y/o las propiedades de fricción y desgaste de materiales. Tal aparato simula las condiciones de funcionamiento de un dispositivo mecánico que tiene partes móviles y un lubricante fluido, tal como por ejemplo una bomba de combustible. Pueden realizarse medidas de la condición del lubricante, u otro fluido sometido a ensayo, la condición de las partes móviles y las fuerzas que actúan sobre las partes móviles durante el ensayo. A partir de estas medidas normalmente es posible someter a ensayo nuevos materiales y lubricantes u otros fluidos antes de venderlos como nuevos productos o antes de la introducción en nuevos productos como componentes.
Una característica importante de tales máquinas de ensayo es que reproducen resultados fiables para una variedad de fluidos de ensayo. Los resultados dependen de la fiabilidad del desgaste en la muestra de ensayo que tiene que correlacionarse de manera precisa con las propiedades del fluido de ensayo y no con cualesquiera otros factores externos.
Una divulgación anterior de patente británica n.° 2270387 describe un aparato para someter a ensayo la lubricidad usando una varilla empujadora rígida. En esta divulgación el objetivo es reducir una vibración indeseada, provocada por la amplitud de desplazamiento y frecuencia de las masas oscilantes y no en la carga, puesto que, cuando se llevan a cabo ensayos en cargas pequeñas incluso vibraciones indeseadas muy pequeñas pueden arruinar completamente las fuerzas de fricción de interés. Esto se resuelve conectando los medios de medida de soporte a una masa de soporte que es al menos diez veces tan grande como la masa combinada del brazo oscilatorio y el portaespecímenes.
La patente estadounidense 6349587 (Mani Neel K et al) da a conocer un ensayo para las propiedades de fricción de una muestra maciza similar a caucho.
La patente británica 2263553 (Optimol Instr) da a conocer un dispositivo para someter a ensayo partes geométricas a partir de juntas homocinéticas con las muestras restringidas en canal de guía.
La patente estadounidense 6401058 (Akalin Ozgen et al) da a conocer un sistema de ensayo de banco para someter a ensayo elementos de desgaste de segmentos de pistones en función del ángulo de manivela.
Otro problema aparente con dispositivos conocidos es que hacen surgir problemas de consistencia de longitud de carrera en condiciones de coeficiente de fricción variable entre los especímenes de ensayo, especialmente en longitudes de carrera de menos de 0,1 mm. Las fuerzas de fricción generadas en un contacto de deslizamiento son inherentemente no lineales con respecto al desplazamiento o velocidad de deslizamiento. Esto significa que en longitudes de carrera cortas existe una tendencia a que se produzca un comportamiento de sacudida, que puede ser difícil de controlar. Los aparatos conocidos que usan articulaciones mecánicas para accionar el espécimen móvil no tienen este problema pero unos errores de tolerancia acumulativos en la articulación hacen que longitudes de carrera cortas precisas de nuevo sean difíciles de conseguir con buena reproducibilidad. Soluciones anteriores han buscado proporcionar rigidez a los componentes de accionamiento para aliviar este problema.
Declaración de la invención
Según la invención se proporciona un aparato y método de ensayo según las reivindicaciones adjuntas.
Descripción de las figuras
La invención se ilustra, simplemente a modo de ejemplo, en los dibujos adjuntos en los que:
la figura 1 es una sección longitudinal parcial de una realización del aparato según la invención tomada a lo largo de la línea I-I en la figura 2,
la figura 2 es una vista en planta de una realización del aparato según la invención,
la figura 3 es una vista en planta simplificada de una realización adicional del aparato según la invención,
la figura 4 es una sección transversal a través de un elemento de flexión de una realización adicional de la invención, y
la figura 5 es una sección transversal a través de un elemento de flexión de una realización adicional de la invención.
Descripción detallada
Haciendo referencia a los dibujos, se muestra una realización de un aparato de ensayo según la presente invención que tiene especímenes 13 y 14 superior e inferior respectivamente. El espécimen 13 superior se sujeta de manera liberable en el portaespecímenes 10 superior mediante un tornillo 12 sin cabeza. El espécimen 13 superior comprende una esfera del material sometido a ensayo. El portaespecímenes 10 superior se une de manera liberable mediante un tornillo 19 a una varilla 9 empujadora conectada al vibrador 1 electromagnético. La varilla 9 empujadora está en forma de un tubo hueco de cualquier material adecuado con una elasticidad medible.
En esta realización un elemento 4 flexible trasero se une a la varilla 9 empujadora y se agarra alrededor de su borde exterior en el alojamiento 24. El elemento 4 flexible trasero actúa para controlar la rigidez axial del vibrador 1. Un elemento 5 flexible delantero se diseña para ser aproximadamente 10 veces más rígida en la dirección axial que el elemento 4 flexible trasero y se une a la varilla 9 empujadora pero está libre en su borde exterior cuando se hace funcionar en longitudes de carrera de más de 0,2 mm.
Los medios de medida de desplazamiento normalmente serán un transformador diferencial de variación lineal (LVDT) que se incorporará en un circuito de retroalimentación eléctrico para controlar la amplitud de oscilación del vibrador. Convenientemente, puede incorporarse uno o más elementos flexibles a lo largo del eje de oscilación del vibrador y el portaespecímenes de modo que los elementos flexibles resisten la oscilación del portaespecímenes. Estos elementos flexibles pueden comprender sólo una rigidez de resorte, o un resorte y amortiguador en paralelo, o sólo un amortiguador. Los elementos flexibles aplican una resistencia al movimiento del portaespecímenes que es axial con respecto al desplazamiento y/o la velocidad. Por tanto, un cambio de, por ejemplo el 50% en la fuerza de fricción entre los especímenes sólo dará como resultado un cambio de aproximadamente el 5% en la carga total experimentada por el vibrador. Por tanto, el efecto es reducir la sensibilidad de la longitud de carrera a cambios en la carga de fricción axial y permitir un funcionamiento fiable en longitudes de carrera muy cortas.
Cuando se desea hacer funcionar el vibrador 1 en longitudes de carrera de menos de 0,2 mm, por ejemplo, cuando se llevan a cabo ensayos de desgaste por rozamiento, el collar 6 roscado se enrosca en el alojamiento 24, agarrando el borde exterior del elemento 5 flexible delantero contra el alojamiento 24 y aumentando por tanto la rigidez axial del vibrador 1 en aproximadamente 10 veces. Esto permite un funcionamiento fiable en longitudes de carrera de 10 micras o menos.
Con el fin de medir y controlar la longitud de carrera del vibrador 1, se sujeta un transformador 7 diferencial de variación lineal (LVDT) en el alojamiento 24 con la varilla 9 empujadora atravesando su centro. El núcleo 8 de LVDT se sujeta de manera rígida en el interior de la varilla 9 empujadora de modo que es axial y longitudinalmente central en el interior del LVDT 7 cuando la varilla 9 empujadora está en reposo. La varilla 9 empujadora está preferiblemente compuesta por material no magnético para permitir que el LVDT 7 funcione correctamente. Durante el uso, el LVDT 7 detecta el movimiento del núcleo 8 y por tanto la varilla 9 empujadora y el portaespecímenes 10 superior y un circuito 26 de control de retroalimentación se usa para regular la potencia al vibrador para mantener la longitud de carrera en cualquier valor deseado, independientemente de cambios en el coeficiente de fricción entre los especímenes.
El vibrador 1 se hace pivotar en dos cojinetes 3 sujetados en el soporte 2. El bloque 23 base está diseñado para ser aproximadamente 500 veces más masivo que la masa total de todos los componentes oscilantes del aparato. Esto es fácil de conseguir mientras se mantiene la masa total del aparato suficientemente baja como para ser portátil debido a que la masa oscilante total es solo de aproximadamente 40 gramos. Esto garantiza que las fuerzas inerciales que reaccionan contra el vibrador 1 mediante las masas oscilantes sólo darán lugar a diminutas aceleraciones en el cuerpo del aparato y no perturban las medidas de fuerza de fricción.
Se aplica una carga a los especímenes por medio de pesos muertos suspendidos de un pasador 11 de carga. Alternativamente puede usarse un sistema de balanza de resorte ajustable. El espécimen 14 inferior se agarra de manera liberable al portaespecímenes 15 inferior. Este portaespecímenes está en forma de una cubeta de acero inoxidable pequeña que puede contener un pequeño volumen de lubricante de ensayo. El portaespecímenes se agarra de manera liberable al bloque 16 de calentador mediante tornillos 17 y 18.
Haciendo referencia ahora a la figura 3, se proporciona un contrapeso 27 excéntrico, unido de manera fija a la varilla 9 empujadora ubicada dentro del collar 6 roscado. Este contrapeso 27 excéntrico tiene una distribución de peso asimétrica con respecto a la línea central de la varilla 9 empujadora que tiene el efecto de inducir una oscilación radial de la varilla 9 empujadora en una dirección ortogonal al movimiento vibratorio axial y de manera correspondiente que el portaespecímenes 10 superior haga oscilar la muestra en movimiento radial además del movimiento axial principal inducido por el vibrador 1.
La rigidez de la varilla empujadora puede ajustarse para reducir la rigidez con el fin de aumentar el efecto de la vibración radial.
Después de cada ensayo la indicación de desgaste o huella de desgaste en cualquiera o ambos del espécimen 13 superior y el espécimen 14 inferior se mide en dimensiones de anchura, longitud y profundidad y esto se correlaciona con las propiedades de fricción del fluido que se somete a ensayo. Se ha encontrado sorprendentemente que este movimiento compuesto del portaespecímenes 10 superior en relación con el portaespecímenes 15 inferior en direcciones tanto axial como no axial o radial proporciona resultados más consistentes que representan una correlación más real y más precisa con las propiedades de fricción del fluido que se somete a ensayo.
Esta componente no axial del movimiento de la varilla 9 empujadora y el portaespecímenes 10 superior podría inducirse mediante medios alternativos, por ejemplo proporcionado por una fuerza motriz mecánica o eléctrica independiente además del vibrador 1. En esta realización la componente no axial del movimiento de la varilla 9 empujadora es en una dirección radial, que es ortogonal a la primera dirección axial del movimiento de la varilla empujadora. En realizaciones alternativas puede ser posible inducir movimiento en la segunda dirección en direcciones distintas a la dirección ortogonal a la primera dirección y conseguir todavía los resultados deseables. El contrapeso 27 se ubica aproximadamente en un tercio de la distancia a lo largo de la varilla empujadora desde el vibrador 1 hasta el portaespecímenes 10 superior.
En una realización alternativa, que no se muestra, el portaespecímenes 15 inferior se induce a oscilar en una dirección generalmente perpendicular a la oscilación lineal de la varilla 9 empujadora y el portaespecímenes 10 superior. Esto produce un efecto similar de un movimiento relativo multidireccional compuesto entre el espécimen 13 superior y el espécimen 14 inferior. El portaespecímenes 15 inferior puede inducirse a mover por sí mismo con el bloque 16 de calentamiento, o alternativamente el bloque 16 de calentamiento y el portaespecímenes 15 pueden moverse juntos.
El bloque 16 de regulación de temperatura contiene elementos de refrigeración o calentadores eléctricos que junto con un termopar 25 y un controlador adecuado permiten que se lleven a cabo ensayos a temperaturas elevadas o temperaturas reducidas. El bloque 16 de regulación de temperatura está unido a un soporte 20 de elemento flexible que está diseñado para ser rígido en todas las direcciones excepto la dirección de oscilación de la muestra 13 superior, dirección en la que se permite desviarse. El movimiento del bloque 16 de regulación de temperatura y el portamuestras 15 en esta dirección se restringe mediante el transductor 21 de fuerza unido a un bloque 22 rígido. De manera adecuada, el portaespecímenes (habitualmente) fijo inferior puede estar en forma de una cubeta de acero inoxidable para contener el lubricante de ensayo. El portaespecímenes puede unirse a un bloque que contiene calentadores eléctricos y/o pasadizos para fluidos de refrigeración que junto con medios de control adecuados permitirán que se lleven a cabo ensayos a temperaturas distintas de la temperatura ambiente. El portaespecímenes también puede encerrarse en una cámara para permitir que se lleven a cabo ensayos en atmósferas de gas específicas. De manera adecuada, el aparato comprende además medios para aplicar una carga conocida variable para presionar los especímenes y hacer que entren en contacto.
Puesto que el transductor 21 de fuerza, por ejemplo, un transductor de fuerza piezoeléctrico, es muchos órdenes de magnitud más rígido que el soporte 20 de elemento flexible en la dirección de oscilación de la muestra 13 superior, las fuerzas de fricción entre los especímenes se harán reaccionar casi completamente contra el transductor 21 de fuerza. El transductor 21 de fuerza se conecta a un circuito electrónico que proporciona salidas de fuerza de fricción instantáneas y promediadas en el tiempo. Por medio de este aparato también es posible medir la resistencia eléctrica del contacto entre los dos especímenes. Esta resistencia se determina por el grado de contacto entre asperezas entre los especímenes y es una medida cualitativa de la efectividad del lubricante para separar los especímenes.
Durante estas medidas es posible variar los parámetros de carga y temperatura de espécimen mediante los métodos descritos anteriormente.
Lista de componentes
1 - Vibrador electromagnético
2 -Soportes
3 - Cojinetes
4 - Elemento flexible trasero
5 - Elemento flexible delantero
6 - Collar roscado
7 - T ransformador diferencial de variación lineal (LVDT)
- Núcleo
- Varilla empujador
- Portaespecímenes superior - Pasador de carga
- Tornillo sin cabeza
- Espécimen superior
- Espécimen inferior
- Portaespecímenes inferior - Bloque de calentador
- Tornillos
- Tornillos
- Tornillos
- Soporte de elemento flexible - Transductor de fuerza
- Bloque rígido
- Bloque base
- Alojamiento
- Termopar
- 27 - Contrapeso

Claims (9)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Aparato de ensayo para medir las propiedades de fricción de un fluido que comprende; un primer portaespecímenes (10) que está adaptado para sujetar un primer espécimen (13) en el fluido que se está sometiendo a ensayo, estando dicho fluido contenido en un tanque, de modo que una primera superficie de espécimen del primer espécimen (13) está en contacto con una segunda superficie de espécimen de un segundo espécimen (14), en un segundo portaespecímenes (15), el primer portaespecímenes (10) está conectado a un árbol (9) que se induce a mover en una primera dirección que es la dirección de la longitud del árbol (9), medios para aplicar una carga medible entre los dos especímenes (21), comprendiendo también dicho aparato de ensayo medios (1) de accionamiento oscilatorio para hacer oscilar el primer portaespecímenes (10), a lo largo de la primera dirección,
    medios de medida de desplazamiento para determinar la amplitud de oscilación del espécimen (13, 14) y medios de medida de fuerza para medir la fuerza de fricción entre los dos especímenes (13, 14);
    caracterizado porque el aparato incluye un peso (27) descentrado ubicado en el árbol (3), para inducir un movimiento entre los portaespecímenes primero y segundo en una segunda dirección que da como resultado un movimiento compuesto del portaespecímenes (10) superior en relación con el portaespecímenes (15) inferior en direcciones tanto axial como no axial.
  2. 2. Aparato de ensayo según la reivindicación 1, caracterizado porque el primer portaespecímenes (10) está conectado a los medios de accionamiento oscilatorio y el segundo portaespecímenes (15) está conectado a los medios (27) de inducción de movimiento.
  3. 3. Aparato de ensayo según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende unos medios de control de la amplitud de oscilación del espécimen (13, 14).
  4. 4. Aparato de ensayo según la reivindicación 3, caracterizado porque los medios de medida de desplazamiento son un transformador (7) diferencial de variación lineal.
  5. 5. Aparato de ensayo según la reivindicación 3, caracterizado porque los medios de medida de desplazamiento están conectados a un circuito de retroalimentación para controlar la amplitud de vibración de los medios de accionamiento oscilatorio.
  6. 6. Aparato de ensayo según la reivindicación 1, caracterizado porque los medios de accionamiento oscilatorio son variables en frecuencia y amplitud.
  7. 7. Aparato de ensayo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el aparato de ensayo comprende unos medios (25) de regulación de temperatura con el fin de llevar a cabo ensayos a diversas temperaturas.
  8. 8. Aparato de ensayo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los especímenes (13, 14) primero y segundo están eléctricamente aislados entre sí cuando no están en contacto y porque el aparato de ensayo comprende además unos medios de medida de la resistencia eléctrica entre el espécimen de ensayo y la superficie de ensayo.
  9. 9. Método para medir las propiedades de fricción de un fluido contenido en un tanque usando el aparato de ensayo tal como se define en cualquier reivindicación anterior, y que comprende;
    aplicar una carga medible entre los dos especímenes, hacer oscilar al menos uno de los portaespecímenes a lo largo de una primera dirección,
    medir la cantidad de desgaste sobre la muestra primera o segunda.
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