Modelización del contacto y desgaste de rótulas radiales empleadas en automoción

Resumen

Las rotulas son elementos mecánicos que permiten conectar componentes de un mecanismo restringiendo los grados de libertad relativos de translación, mientras permiten los giros relativos entre componentes. Las rótulas de automoción están formadas principalmente por tres componentes diferentes, una carcasa de acero, un casquillo polimérico y una bola esférica metálica, que está unida a una varilla roscada. La rigidez de las rótulas influye en la rigidez de todo el mecanismo; por lo tanto, es deseable maximizar la rigidez de las rótulas para evitar la inclusión de puntos con baja rigidez que podrían cambiar el comportamiento del mecanismo. El valor de rigidez depende de las propiedades de los materiales, los espesores y las interferencias de montaje. La interferencia crea una precarga, por lo que aumenta la rigidez, pero a costa de aumentar también los pares de fricción, lo cual no es deseable, ya que las rótulas deben transferir las fuerzas, pero no los pares.  

A lo largo de su vida útil, las rótulas están sujetas a diversas condiciones mecánicas y térmicas, lo que puede dar lugar a fallos por múltiples razones. Una causa potencial de estos fallos es el desgaste de los materiales poliméricos empleados en su fabricación. A pesar del uso de polímeros de baja fricción y lubricantes, el desgaste en las rótulas es inevitable. Este desgaste conlleva una disminución de la rigidez de la unión, particularmente en la dirección axial, lo que impacta negativamente en el comportamiento dinámico y el confort del vehículo. Actualmente, existen pocos estudios que aborden la predicción de la pérdida de rigidez tras un determinado ciclo de desgaste.

En el presente trabajo, se propone un modelo de elementos finitos que prediga el desgaste de una rótula empleada en automoción durante su ciclo de vida. El modelo incluye un algoritmo iterativo de desgaste no uniforme, el cual se implementa en el contacto con una subrutina, que actualiza la superficie de contacto a lo largo del tiempo. Después de simular la prueba de desgaste, se realizan los cálculos de rigidez y par. Los resultados obtenidos se validan experimentalmente con ensayos realizados en piezas reales, las cuales han sido sometidas inicialmente a pruebas de desgaste y posteriormente a ensayos de rigidez y par.