Simulación del proceso de remachado de un perno espaciador en discos de clutch

utilizando ANSYS Workbench para aceros DIN C10C y SAE AISI 1010

Gabriela GUERRA1, Ulises FIGUEROA-LÓPEZ2, Andrea GUEVARA-MORALES2

1 LUK Puebla, Schaeffler Mexico1 Escuela de Ingeniería y Ciencias, Tecnológico de Monterrey

Agenda

• Introducción– Grupo de trabajo– Problemática – justificación– Objetivo

• Metodología– Pruebas de compresión – Simulación compresión– Simulación remachado

• Resultados– FEM– Experimentales

• Propuesta– FEM como herramienta de diseño

• Conclusiones

¿Quiénes somos?

• Tecnológico de Monterrey, Campus Estado de México

• Grupo de Tecnología en Plásticos y Compuestos (https://sites.google.com/site/polimeroscem/)

• Escuela de Ingeniería y Ciencias

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¿Quiénes somos?

Ciencia de Materiales Plásticos

Polímeros convencionales para aplicaciones ingenieriles

Polímeros Nanocompuestos (PNCs)

Polímeros biodegradables o biopolímeros

Relaciones estructura-procesamiento-propiedad

Diseño de Componentes Plásticos

Diseño para la manufactura y ensamble

Elaboración de guías de diseño para componentes inyectados

Procesamiento de Plásticos

Análisis de esfuerzos residuales en componentes plásticos inyectados

Simulación del proceso de inyección

Diseño de moldes y herramentales

Diseño de un molde mecatrónicopara monitorear las variables principales de inyección

¿Quiénes somos?

INDUSTRIA AUTOMOTRIZ• Maestría en Ingeniería Automotriz – Toluca y Puebla

• Centro de Investigación en Mecatrónica Automotriz - Toluca

• Autopartes

– Luk

– Federal Mogul

– Rassini

• Ensambladoras

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Laser hardening process Fraunhofer IWS Dresden

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Problemática

• Incremento significativo en las ventas de automóviles en mercados emergentes

• OEMs han sido forzados a relocalizar su producción para reducir costos de manufactura y logística

• Para asegurar una cadena de suministro eficiente y flexible se deben contratar proveedores locales

– Materiales “equivalentes” entre regiones, por ejemplo Norteamérica y Europa

Problemática

• Las características de ambos materiales pueden presentar algunas diferencias que, aunque menores, impactan fuertemente alguna aplicación específica

• Cuando las recomendaciones de diseño, geometría y manufactura, que fueron desarrolladas para un material, se aplican a otro distinto se obtienen resultados diferentes

• Esto puede afectar el desempeño del producto en servicio

– Ejemplo: perno espaciador del disco del clutch

Perno espaciador• Mantiene juntos los platos opresores que mantienen los resortes de

amortiguamiento en su lugar

• Limita el giro de la placa para evitar que los resortes se rompan

• Asegura un comportamiento de histéresis correcto, el cual es dependiente de la

fricción entre los componentes dentro del disco. Esta fricción es controlada por el

resorte de diafragma y a su vez por la altura del perno espaciador

Perno espaciador

• Una pequeña desviación en las dimensiones del perno puede resultar en problemas serios de vibraciones y ruido en el vehículo

• Las dimensiones del perno son definidas durante su remachado

• Diferencias en el material diferencias en remachado diferencias en las dimensiones

• Simulación FEM: herramienta para contrarrestar diferencias en el material y obtener productos bajo especificación

Objetivo

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

Materiales

• DIN C1OC (Europa)• SAE-AISI 1010 (Norteamérica)

• Composición química equivalente

• Propiedades mecánicas equivalentes• UTS• Ductilidad

C10C

1010

Metodología

FEM – tan bueno como los datos que se introducen…

1. Obtener curvas de compresión de ambos materiales

2. Simular el ensayo de compresión para validar modelo de material y corroborar condiciones a la frontera

3. Simular el proceso de remachado y comparar con pruebas experimentales

4. Analizar diferencias en ambos materiales

5. Proponer cambio de dimensiones en la posta del material 1010 (antes del remachado) para obtener un perno dentro de especificación

Ensayo de compresión

• Máquina Universal Instron 4500

• Velocidad de 5 mm/min hasta alcanzar fuerza de 80 kN

• Sin lubricación, como el remachado

C10C 1010

Curva esfuerzo-deformación

Simulación en ANSYS

• ANSYS Workbench 13.0

• Modelo 2D creado en Pro-E Wildfire 4.0

• Elementos: hexaedros principalmente con tamaño promedio de 0.5 mm; tetraedros en las transiciones

• Materiales:

– Placas: acero estructural lineal

– Probeta: curvas esfuerzo-deformación obtenidas

– Isotrópicos, homogéneos y libres de esfuerzos residuales

Condiciones a la frontera

• Placa inferior fija para evitar desplazamiento

• Fuerza rampa de 80 kN aplicada a la placa superior por 20 segundos

• Al alcanzar 80 kN se libera la placa

• Frictional connections – entre las placas y la probeta para obtener abarrilamiento

• Coeficiente de fricción de 0.2 basado en trabajo de Gaertner y Dropa (2006)

• En la zona de la contacto por fricción se hace un refinamiento de la malla

Resultados

Resultados

Resultados

Remachado

(a) Sujeción

(b) Desplazamiento de la prensa

(c) Remachado

Simulación en ANSYS

• ANSYS Workbench 13.0

• Modelo 2D creado en Pro-E Wildfire 4.0

• Elementos: hexaedros principalmente con tamaño promedio de 0.5 mm; tetraedros en las transiciones

• Materiales:

– Disco y prensa: acero estructural lineal

– Probeta: curvas esfuerzo-deformación obtenidas

– Isotrópicos, homogéneos y libres de esfuerzos residuales

Condiciones a la frontera

• Contactos – frictional connections

• Una fuerza de sujeción de 1 kN se aplica al disco

Condiciones a la frontera

• La prensa de desplaza hacia abajo hasta que la cabeza del remache alcanza las dimensiones de la especificación

• Es decir, cuando el diámetro de la cabeza alcanza la dimensión deseada, las fuerzas de sujeción y de remachado se retiran.

Resultados

Resultados

Resultados

Validación experimental

• Prensa hidráulica

• Cada ensamble contiene 5 pernos

• No se incluyeron los elementos del clutch

• Se realizaron 4 ensambles para cada material– 2 al mínimo diámetro de cabeza del perno

– 2 al máximo diámetro de cabeza del perno

• En total 20 remaches de cada material

Validación experimental

Propuesta• Se propone incrementar la dimensión del barril del acero 1010 para reducir su

compresión durante el remachado

• Con una mayor área se reduce el esfuerzo y la compresión del barril, quedando

dentro de la especificación

• Se realizaron diversas simulaciones y se encontró que un incremento en el

diámetro del barril de 6%* resulta en un producto dentro de especificación

* Incremento de aproximadamente 8% en costo de material

Conclusiones

• Se comparó el comportamiento durante remachado de dos materiales considerados equivalentes: DIN C10C y SAE-AISI 1010

• La simulación indica que el material 1010 se comprime en promedio 0.3 mm más que el C10C

• La diferencia se debe al esfuerzo de cedencia: 628 MPa para el C10C y 479 MPa para el 1010

• La simulación se validó con pruebas experimentales, para el 1010 hay muy buena correlación. En el caso del C10C la simulación sobrestima la compresión para el diámetro máximo de cabeza

• Se propone un cambio en la dimensión del barril para contrarrestar la diferencia

Referencias

• ASM International 2000. ASM Handbook Volume 8: Mechanical Testing and Evaluation, ASM International.

• DIN 2012. DIN 660:2012-01. Round head rivets - Nominal diameters 1 mm to 8 mm Germany.

• Gaertner, E. L. & Bortili, M. G. Some aspects for the simulation of a non-linear problem with plasticity and contact. International ANSYS Conference, 2006.

• Gupta, N. & Shah, C. (1986). Barreling of a short cylinder in compression. International Journal of Machine Tool Design and Research, 26, 2, 137-146.

• Narayanasamy, R., Murthy, R., Viswanatham, K. & Chary, G. (1988). Prediction of the barreling of solid cylinders under uniaxial compressive load. Journal of Mechanical Working Technology, 16, 1, 21-30.

Contacto

• Escuela de Ingeniería y Ciencias, Tecnológico de Monterrey

• Grupo de Tecnología de Plásticos y Compuestos

• https://sites.google.com/site/polimeroscem/

Dra. Andrea Guevara Morales

a.guevaram@itesm.mx

Dr. Ulises Figueroa López

ufiguero@itesm.mx