EVALUACIÓN DEL COEFICIENTE DE FRICCIÓN Y
CARGA DE GRIPADO
EVALUATION OF THE FRICTION COEFFICIENT AND
GRIPPING LOAD
Carlos José Santillán Mariño
Ingeniero Mecánico, Máster en Ciencias Mención Diseño Mecánico, Docente Facultad de Mecánica. ESPOCH,
Riobamba, Ecuador.
E-mail: csantillan_m@espoch.edu.ec
Jhonny Marcelo Orozco Ramos
Ingeniero Mecánico, Magister en Diseño, Producción y Automatización Industrial. Facultad de Mecánica.
Grupo de Investigación de nuevas tecnologías. ESPOCH, Riobamba. Ecuador.
E-mail: ingjmorozco@gmail.com
Ernesto Ramiro Santillán Mariño
Ingeniero Mecánico, Magíster en Diseño, Producción y Automatización Industrial. ESPE, Latacunga, Ecuador.
E-mail: ernsanti96@gmail.com
Eduardo Francisco García Cabezas
Ingeniero en Control y redes Industriales, Magister en Sistemas de control y Automatización Industrial.
Facultad de Mecánica. ESPOCH, Riobamba. Ecuador.
E-mail: edugarciac_87@hotmail.com
Recepción: 20/02/2019 Aceptación: 10/09/2019 Publicación: 13/09/2019
Citación sugerida:
Santillán Mariño, C. J., Orozco Ramos, J. M., Santillán Mariño, E. R. y García Cabezas, E. F. (2019).
Evaluación del coeciente de fricción y carga de gripado. 3C Tecnología. Glosas de innovación aplicadas a la pyme,
8(3), 68-83. doi: http://dx.doi.org/10.17993/3ctecno/2019.v8n3e31.68-83
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3C Tecnología. Glosas de innovación aplicadas a la pyme. ISSN: 2254-4143
RESUMEN
En la teoría de lubricación se determinan un conjunto de ecuaciones empíricas para la determinación del
coeciente de fricción a diferentes regímenes de lubricación, sin embargo, no se cuenta con ecuaciones
para determinar dicho coeciente a condiciones límites de funcionamiento de un par de contacto; es por
tanto, objetivo de esta investigación experimental elaborar las pruebas que permitan determinar como
la temperatura, la distribución de presiones, la velocidad de rodadura y de deslizamiento, que aseguren
un régimen de lubricación no uido (mixto, límite), además de la dureza y acabado supercial; inuyen
en el valor del coeciente de fricción así como en el régimen de lubricación, resultados presentados
mediante la ecuación de Dowson – Higginson para contacto lineal se determina el espesor de película
lubricante y considerando los valores de radio de asperezas de las probetas se establece que el conjunto
de pruebas se realizó en un régimen Mixto – EHD en las probetas de dureza baja y en las probetas de
mayor dureza en un régimen Mixto.
PALABRAS CLAVE
Régimen de lubricación, Gripado, Coeciente de fricción, Distribución de presiones, Diseño de
experimentos.
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Ed. 31 Vol. 8 N.º 3. Septiembre-Diciembre 2019
DOI: http://dx.doi.org/10.17993/3ctecno/2019.v8n3e3.68-83
ABSTRACT
In the theory of lubrication, a set of empirical equations for the determination of the coecient of friction at dierent
lubrication regimes are determined, however, there are no equations to determine this coecient at the operating limits of
a contact torque; It is therefore the objective of this experimental research to develop the tests that allow determining the
temperature, the pressure distribution, the rolling speed and the sliding speed, which ensure a non-uid lubrication regime
(mixed, limit), in addition to the hardness and surface nish; inuence the value of the coecient of friction as well as the
lubrication regime, results presented by the Dowson - Higginson equation for linear contact, the thickness of the lubricating
lm is determined and considering the values of the radius of asperities of the specimens, it is established that the set of tests
was carried out in a Mixed-EHD regime in the low hardness specimens and in the higher hardness specimens in a Mixed
regime.
KEY WORDS
Lubrication rate, Seizure, Coecient of friction, Pressure distribution, Design of experiments.
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1. INTRODUCCIÓN
Un preciso conocimiento de las condiciones de lubricación y el espesor de película mínimo de lubricante
es considerado como un importante criterio de diseño en sistemas de transmisión, en especial del tipo
engranes (Muraki, Matsuoka, y Kimura, 1989). Este trabajo realiza un estudio de la durabilidad en
supercies de contacto usando criterios para el control de gripado, descostrado, deformación plástica,
entre los principales. Criterios relacionados a la carga de contacto local, fricción, velocidad de
deslizamiento y rodadura, espesor de película lubricante, temperatura de contacto, acabado supercial y
dureza supercial son revisados y considerados o atribuibles como las principales variables en la mayoría
de los componentes de fallo en servicio y atribuidos a efectos superciales iniciales, que pueden ser
evitados o retardados por la incorporación de principios tribológicos dentro del diseño ingenieril.
Este trabajo realiza un estudio de la durabilidad en supercies de contacto usando criterios para
el control de gripado, descostrado, deformación plástica, entre los principales.
El coeciente de fricción es un factor que inuye considerablemente en los diferentes tipos de fallo y
por ende su alta incidencia en la eciencia de pares de contacto. En las bibliografías relacionadas a la
temática tribológica, analiza los regímenes de lubricación elasto hidrodinámica (EHD), mixto o límite,
(Smeeth y Spikes, 1995) ofertando ecuaciones obtenidas para condiciones de velocidades medias y altas
y con supercies de contacto considerado de alta dureza; sin embargo, en la práctica industrial existen
sistemas de transmisión cerrados que son caracterizados por bajas velocidades, altas fuerzas de contacto
y durezas superciales relativamente bajas, aspectos no apreciado frecuentemente en la bibliografía
especializada, por tanto, evaluar de forma experimental teorías empíricas del comportamiento tribológico
de un sistema de pares de contacto permitirá proponer métodos de prevención que eviten o retarden el
surgimiento de daños superciales (Suh, 1986).
Es por tanto importante, proponer metodologías y obtener ecuaciones empíricas que permitan
determinar el coeciente de fricción en condiciones de bajas velocidades, lubricación semiseca y altas
cargas de contacto; (Hamrock y Dowson, 1984), para lograr este objetivo, se contempla la aplicación
de un estudio experimental que permite presentar ecuaciones de regresión para condiciones límites de
diferentes variables y su proyección al comportamiento no lineal tribológico.
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2. DESARROLLO
2.1. INSTALACIÓN EXPERIMENTAL
El equipo empleado es un tribómetro Amsler A 135 que permite realizar ensayos de desgaste; los discos
de pruebas son preparados en tamaños que oscilan entre los 30 y 50 mm de diámetro y alrededor de 10
mm de espesor. Los discos son jados en los extremos de dos ejes de forma que puedan tener contacto
uno contra otro. La fuerza radial empleada se regula en un rango entre los 20 y 200 Kg, carga que puede
ser leída en una escala, la velocidad de rotación y la dirección de rotación son contrarias en los discos;
para discos del mismo diámetro la relación de deslizamiento es del 10%, la velocidad de operación baja
es de 200 rpm y la alta es de 400 rpm. Entre el motor y el eje de la probeta de baja velocidad existe un
dinamómetro el cual indica el torque de fricción transmitido, se emplea momentos friccionales de 10,
50, 100, 150 Kgf cm.
El equipo empleado es un tribómetro Amsler A 135 que permite realizar ensayos de desgaste; los
discos de pruebas son preparados en tamaños que oscilan entre los 30 y 50 mm de diámetro y
alrededor de 10 mm de espesor.
2.2. MATERIALES Y GEOMETRÍA DE LAS PROBETAS
Las características de las probetas empleadas para la realización de las pruebas, se presenta en la Tabla
1, donde se especíca materiales, dureza supercial, tratamiento supercial y otros.
Tabla 1. Resumen de Materiales y Geometría de las Probetas.
CARACTERÍSTICAS CILINDRO TIPO 1 CILINDRO TIPO 2
Diámetro exterior (m) 0.0429 0.05
Material SAE 1018 SAE 1040 (Endurecido)
Dureza Supercial (HB) 164 416
Rugosidad (µm) 0.12 0.42
Fuente: elaboración propia.
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El lubricante utilizado para todas las pruebas es un aceite SAE EP 90.
2.3. PLAN DEL EXPERIMENTO
1. Determinación de la carga de gripado a partir de la ecuación de Block (Bhusman, 1984).
2. Diseño de experimentos
3. Determinación del coeciente de fricción experimental
4. Análisis de regresión a los resultados obtenidos en las diferentes pruebas.
2.4. DISEÑO DE EXPERIMENTOS
Un diseño de experimentos cuidadosamente seleccionado (Montgomery, 1997), considera un conjunto
de variables que se agrupan en parámetros operacionales como son: tipo de movimiento, carga,
velocidad, temperatura y duración del ensayo y de los parámetros estructurales relacionados con el
aceite lubricante y el medio circundante donde se realiza la prueba. Estas variables tienen relación
con las características tribológicas a obtener como son la fuerza de fricción, el coeciente de fricción,
variación de la temperatura, desgaste y condiciones de contacto (Artes y Pedrero, 1994) que permiten
obtener una relación de dependencia de la fricción en función de los parámetros operacionales y de
operación.
Un diseño de experimentos cuidadosamente seleccionado (Montgomery, 1997), considera
un conjunto de variables que se agrupan en parámetros operacionales como son: tipo
de movimiento, carga, velocidad, temperatura y duración del ensayo y de los parámetros
estructurales relacionados con el aceite lubricante y el medio circundante donde se realiza la
prueba.
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2.5. APROXIMACIÓN SIMPLE FACTORIAL
CASO 1: Para probetas tipo 1, de dureza supercial 164 HB, se realizó tres replicas en función de la
matriz de experimentos presentado en la Tabla 2.
Tabla 2. Matriz dos factorial de experimento y variables de análisis.
No. Réplica
1
+ +
- +
+ -
- -
Fuente: elaboración propia.
Considerando la matriz de experimentos, sus resultados de acuerdo con las variables experimentales se
presentan en la Tabla 3.
Tabla 3. Resultados de las pruebas para caso de evaluación 1.
Réplica
1
413.65 0.08 26.2 0.5457 0.06410
226.57 0.08 23.2 0.7671 0.06313
413.65 0.04 24 0.6976 0.06847
226.57 0.04 20.5 1.0847 0.06119
2
413.65 0.08 25.4 0.5952 0.05857
226.57 0.08 22 0.8901 0.05827
413.65 0.04 23 0.7859 0.06935
226.57 0.04 23 0.7859 0.07770
3
413.65 0.08 26.4 0.5342 0.05973
226.57 0.08 23 0.7859 0.05925
413.65 0.04 21.5 0.9493 0.07022
226.57 0.04 20.3 1.1149 0.06799
Fuente: elaboración propia.
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CASO 2: Para las probetas endurecidas de tipo 2, dureza supercial 416 HB, 3 réplicas, considerándose
la respectiva matriz de experimentos y variables a evaluarse se presenta en la Tabla 4.
Tabla 4. Matriz de experimentos Caso 2.
No. Réplica
1
+ + +
- + +
+ - -
- - -
+ + -
- + -
+ - +
- - +
Fuente: elaboración propia.
Resultados experimentales obtenidos, cuanticando las variables de análisis para el caso 2, se presenta
en la Tabla 5.
Tabla 5. Resumen de resultados para caso 2.
Réplica
1
413.65 0.08 416 26.8 0.5122 0.08304
226.57 0.08 416 22.5 0.8358 0.06410
413.65 0.04 164 24 0.6976 0.06847
226.57 0.04 164 20.5 1.0847 0.06119
413.65 0.08 164 26.2 0.5457 0.06410
226.57 0.08 164 23.2 0.7671 0.06313
413.65 0.04 416 22.5 0.8358 0.08625
226.57 0.04 416 20 1.1624 0.08353
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Réplica
2
413.65 0.08 416 28 0.4531 0.08013
226.57 0.08 416 23.5 0.7400 0.06313
413.65 0.04 164 23 0.7859 0.06935
226.57 0.04 164 23 0.7859 0.07770
413.65 0.08 164 25.4 0.5952 0.05857
226.57 0.08 164 22 0.8901 0.05827
413.65 0.04 416 24.4 0.6661 0.07576
226.57 0.04 416 22 0.8901 0.06605
3
413.65 0.08 416 28.5 0.4312 0.07780
226.57 0.08 416 24.5 0.6585 0.06799
413.65 0.04 164 21.5 0.9493 0.07022
226.57 0.04 164 20.3 1.1149 0.06799
413.65 0.08 164 26.4 0.5342 0.05973
226.57 0.08 164 23 0.7859 0.05925
413.65 0.04 416 24.8 0.6364 0.08799
226.57 0.04 416 23 0.7859 0.07187
Fuente: elaboración propia.
3. RESULTADOS OBTENIDOS
a. A porcentaje de deslizamiento del 10%, la probeta de dureza mínima (164 HB) actúa sin muestra
aparente de agarramiento, en tanto que, con porcentaje de deslizamiento del 20% a carga mínima
surge el agarramiento siendo la carga de gripado permisible 20 veces menor a la carga de trabajo.
(Hamrock y Dowson , 1998).
b. La probeta de dureza máxima (416 HB) presenta mejores condiciones de resistencia por parte de los
discos, señalándose la existencia de una velocidad crítica de deslizamiento comprendida en el rango
del 10 al 20%.
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c. La relación de velocidades de prueba se determinó en un valor del 10%
d. De los datos experimentales, se obtiene como rango del coeciente de fricción para las probetas de
164 HB en los valores 0,058 ÷ 0,077; en tanto, para las probetas de 416 HB los valores corresponden
al rango 0,066 ÷ 0,088 para medidas de temperatura medidas en la zona de contacto entre 20 ÷ 36
o
C.
3.1. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
Las ecuaciones, obtenidas mediante regresión lineal para los casos anteriores se presentan a continuación:
CASO 1: Probetas de dureza 164 HB
El rango de aplicación de las ecuaciones de regresión para el Caso 1, Probetas de 164 HB, se presenta
en la Tabla 6.
Tabla 6. Resultados caso 1 del coeciente de fricción.
Rango
Máximo 413.65 0.08 0.5342 0.05827
Mínimo 226.57 0.04 1.1149 0.07770
Fuente: elaboración propia.
A) La primera aproximación del estudio, considerando el comportamiento de las variables de forma
independiente se obtiene:
B) De forma gráca el comportamiento de las variables consideradas de forma independiente presenta
el siguiente comportamiento:
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Figura 1. Resultados caso 1 del coeciente de fricción respecto al esfuerzo. Fuente: elaboración propia.
Figura 2. Resultados caso 1 del coeciente de fricción respecto a la velocidad de deslizamiento. Fuente: elaboración propia.