INGENIERÍA POR TIPO - MECÁNICA

Las isostáticas (curvas integrales del campo de tensiones principales) de tracción son más densas o se concentran alrededor de los límites del agujero circular.

Una concentración de tensiones (también llamado concentrador de tensión) es una localización dentro de un sólido elástico donde el campo de tensiones se concentra. Un objeto es más resistente cuando la fuerza se distribuye uniformemente sobre su área, de tal manera que una reducción del área efectiva, por ejemplo causada por una fisura, conduce un aumento de las tensiones cerca del límite de dicho defecto (respecto a la situación en que dicho defecto no existiera). Un material puede fallar por propagación de grieta cuando una concentración de tensiones excede el límite del material a pesar de que la tensión media esté por debajo de límite resistente.

La resistencia real en fractura de un material siempre es más baja que el valor teórico precisamente porque la mayor parte de elementos resistentes contienen pequeñas fisuras o impurezas que crean un concentrador de tensiones. Las fisuras de fatiga siempre empieza como concentradores de tensiones, así pues eliminar dichos defectos incrementa la resistencia frente a fatiga.

Causas[editar]

Un canto agudo en el pavimento ha actuado como concetrador de tensiones en el hormigón provocando una fisura

Las discontinuidades geométricas o la falta de suavidad de una geometría actúan como concentradores de tensión. Los extremos de las fisuras, las esquinas agudas, los agujeros y los cambios de sección transversal son ejemplos de concentradores de tensiones. Las tensiones locales altas pueden producir un fallo más temprano de un elemento resistente, por esa razón los ingenieros diseñan las geometrías para minimizar la concentración de tensiones.

Prevención[editar]

Una medida para prevenir los peores tipos de concentradores, las fisuras, es taladrar un gran agujero al final de la grieta. Esta medida puede parecer contraintuitiva, pero de hecho la estructura interna de la parte compacta de los huesos cuenta con las osteonas que pueden servir para esa función. La medida funciona porque en realidad el radio de curvatura del concentrador de tensiones se hace más grande, ya que la punta de una grieta es un defecto más agudo que un taladro. Así el agujero taladrado, con su mayor diámetro tiene asociada una concentración de tensiones menores que el afilado extremo de la fisura.

Resulta importante verificar sistemáticamente la existencia de concentradores de tensiones asociados a fisuras. Existe una longitud crítica de la fisura, tal que si ese valor es sobrepasado, la fisura continua creciendo hasta que se produce un fallo catastrófico. Una vez la fisura supera la longitud crítica no se requiere un aumento de la tensión adicional para provocar que la fisura siga creciendo, por lo que la fisura sigue creciendo hasta el fallo total. La teoría de Griffith en el seno de la mecánica de la fractura sirve para explicar porqué existe una longitud crítica de fractura.

Ejemplos[editar]

Este implante ortopédico se colocó para sujetar el fémurtras una fractura de cadera, sin embargo, la concentración de tensiones incrementa el riesgo de que falle bajo esfuerzo.

• El término "elevador de tensiones" se usa en ortopedia para referirse a un punto donde es posible que un implante provoque una concentración de tensiones que pueda llevar a un fallo mecánico.
• Un caso muy famoso de fallo por concentración de tensiones es el fallo de las aeronaves de la siere De Havilland Comet, y la rotura frágil de los baccos de la clase Liberty a bajas temperaturas provocadas por tormentes en el Atlántico norte combinada con concentración de tensiones en las esquinas de las escotillas.

Factor de concentración para grietas[editar]

La máxima tensión que aparece cerca del extremo de una grieta aparece en la región de menor radio de curvatura. Para una grieta elíptica de longitud ${\displaystyle 2a}$ y ancho ${\displaystyle b}$, bajo una tensión aplicada promedio ${\displaystyle \sigma }$, llega a alcanzar dos máximos sobre los dos extremos del semieje mayor dados por:

${\displaystyle \sigma _{max}=\sigma \left(1+2{\cfrac {a}{b}}\right)=\sigma \left(1+2{\sqrt {\cfrac {a}{\rho }}}\right)}$

donde ρ es el radio de curvatura de la punta de la grieta. Un factor de concentración de tensiones es el cociente entre la máxima tensión ${\displaystyle \sigma _{max}}$ respecto a la tensión promedio o tensión de referencia ${\displaystyle \sigma }$ para la sección (suponiendo que no hubiera concentración de tensiones). El análisis elástico implica que el radio de curvatura se aproxima a cero, el máximo de tensión crece sin límite (en la realidad cuando la tensión crece suficientemente se alcanza plastificaciones locales). Nótese que el factor de concentración de tensiones es una función de la geometría de grieta o el defecto que provoca la concentración de tensiones, y no de su tamaño. Los factores más frecuentes pueden encontrarse en manuales de referencia de ingeniería y se usan para estimar el valor de las tensiones reales que podría aparecer. En ese procedimiento las tensiones de referencia o promedio son calculadas por medio de los métodos de la resistencia de materiales, y esos valores son corregidos mediante los factores de concentración de tensiones.

Cálculo del factor de concentración de tensiones[editar]

Existen métodos experimentales para estimar los factores de concentración, entre los que están la fotoelasticidad, recubrimientos frágiles o galgas de deformación. Aunque todos estos procedimientos son adecuados, todos ellos tienen desventajas experimentales, ambientales o de precisión.

Durante la fase de diseño, existen diversos enfoques para estimar los factores de concentración de tensiones y, de hecho, se han publicado numerosos compendios recogiendo factores de concentración. Tal vez el más famoso de ellos es el debido a Peterson, Stress Concentration Design Factors ('Factores de concentración de tensiones para el dimensionado') , publicado por primera vez en 1953.^{[cita requerida]} Actualmente, se usan frecuentemente estimaciones basada en el método de los elementos finitos (MEF). Otros enfoques teóricos que usan consideraciones sobre la elasticidad o la resistencia de materiales, permiten llegar a ecuaciones similares a las obtenidas anteriormente.

Existen pequeñas diferencias entre los factores publicados en compendios, los calculados por el MEF y los valores teóricos. Cada método tienen ventajas y desventajas. Muchos datos publicados fueron obtenidos de montajes experimentalres, mientras que el MEF calcula el pico de tensión directamente y las tensiones nominales pueden obtenerse promediando en el material alrededor del pico.

El factor teórico de concentración de tensiones (K_t) es un factor que se aplica para estimar la tensión en secciones de piezas con discontinuidades geométricas en las que se produce el fenómeno de concentración de tensiones. Dicho factor mayora el cálculo de la tensión teórica obtenida a partir de los valores de la solicitación y de la geometría de la sección, permitiendo estimar el valor de tensiónmáxima que se produce en la discontinuidad y que es superior a la obtenida con el cálculo teórico. Los factores de concentración de tensiones se obtienen mediante procedimientos experimentales o con el uso de modelos numéricos precisos.

La aplicación del factor de concentración de tensiones es especialmente importante en materiales frágiles. En materiales dúctiles las concentraciones de tensiones elevadas pueden provocar la fluencia local del material (si se supera el límite de fluencia) y por tanto cambiar el reparto de tensiones hacia puntos menos tensionados, sin comprometer la integridad global de la pieza.

ZF Corte de un convertidor de par

El convertidor de par hidrodinámico es una transmisión hidrodinámica adicional al cambio automático. Constituye el elemento de entrada del cambio automático. El principio del convertidor de par lo aplicó por vez primera Hermann Föttinger, el año 1905, en la construcción naval. Por esa razón, el convertidor de par se designa a menudo como convertidor Föttinger.

Partes de un convertidor de par[editar]

• Rodete de bomba: es, al mismo tiempo, la caja del convertidor de par.
• Rodete de turbina: impulsa el eje de turbina y, con ello, el cambio.
• Estátor o reactor: unida por un piñón libre con la caja del cambio, solo puede girar en el mismo sentido que los rodetes de bomba y turbina.

El rodete de la bomba gira solidario con el motor. Por acción de la fuerza centrífuga, el aceite es impulsado hacia fuera entre los álabes del rodete de la bomba. El fluido es conducido al rodete de turbina donde su energía cinética la absorben las paletas, las cuales hacen girar el rodete de la turbina.

Lo que diferencia un convertidor de par de un embrague hidrodinámico, es la presencia del estátor, este redirecciona el fluido del aceite para que no frene al impulsor y ayuda a que se genere el torbellino torico hasta que el impulsor y la turbina toman la misma velocidad y el pistón de lock-up los ayuda juntarse y formar una sola pieza. de allí el estator solo hace presencia en el sistema.

Funcionamiento del estator[editar]

Cuando el fluido retorna de la turbina hacia la bomba se encuentra con los álabes del estator, cuya disposición intenta impulsar el estator en sentido inverso que la turbina. Como el estator no puede girar en ese sentido ya que se frena con el eje conmutador de entrada y salida de motor y transmisión, esa fuerza se suma a la provocada por la bomba, incrementando el par transmitido por el convertidor. torbellino torico.

Curvas de transmisión de par[editar]

En la fase de conversión, el convertidor de par transforma la reducción del número de revoluciones en un aumento del par motor. En el momento de arrancar el vehículo, al principio solo gira el rodete de la bomba (impulsor). La turbina todavía está parada. La diferencia de número de revoluciones - designada como resbalamiento - es del 100 %. En la medida en que el aceite cede energía cinética al rodete de turbina, disminuye el resbalamiento. El número de revoluciones de la bomba se aproxima al de la turbina. El resbalamiento del convertidor representa el criterio necesario de funcionamiento en la conversión del par motor.

En caso de un resbalamiento elevado, el aumento del par motor es máximo, es decir, en caso de una gran diferencia de número de revoluciones entre los rodetes de la bomba y de la turbina, la rueda directriz desvía la corriente de aceite. Por tanto, en la fase de conversión, la rueda directriz actúa haciendo aumentar el par motor. Al hacerlo, se apoya en la caja del cambio mediante un piñón libre. En caso de un resbalamiento bajo, por tanto, si los rodetes de la bomba y de la turbina giran aproximadamente al mismo número de revoluciones, la rueda directriz ya no actúa para aumentar el par motor. En tal caso, gracias al piñón libre, ella gira en el mismo sentido que los rodetes de la bomba y de la turbina.

Embrague de anulación del convertidor de par[editar]

Cuando se alcanza la fase de embrague, es decir, cuando la relación del par motor es 1:1, el convertidor trabaja con pérdidas relativamente elevadas. El rendimiento es, por regla general, de un 85 %; en motores de gran potencia y números de revoluciones elevados, incluso llega a ser de un 97 %. Pero para la transmisión de fuerza siempre se necesita de un dos y a un tres por ciento de resbalamiento, pues de lo contrario pararía la corriente de aceite. Sin embargo, las pérdidas en la transmisión de fuerza siempre repercuten en el funcionamiento económico del vehículo. Por esa razón, los cambios automáticos modernos van provistos de un embrague de anulación del convertidor de par, el cual anula según se requiera el convertidor y lo pone fuera de servicio.

El embrague de anulación del convertidor de par está incorporado a la caja del convertidor de par. Lleva montado un forro de fricción de forma anular y está unido al rodete de turbina. Es presionado por presión de aceite contra la caja del convertidor mediante la cual tiene lugar la entrada de par motor. De este modo se dispone de una propulsión rígida, exenta de resbalamiento igual que un embrague normal de fricción seca, el embrague de anulación del convertidor de par lleva montado un amortiguador de torsión para reducir las vibraciones por torsión del motor. La unidad de control del cambio automático determina cuándo se abre o se cierra el embrague de anulación del convertidor de par. En vehículos con cambio automático, con un embrague de anulación del convertidor de par se puede reducir en la práctica el consumo de combustible en un 2 a un 8 %, según la característica del vehículo y del cambio.

El convertidor de par y componentes

El convertidor de par es un mecanismo que se utiliza en los cambios automáticos en sustitución del embrague, y realiza la conexión entre la caja de cambios y el motor.

La transmisión del par del motor al cambio se lleva a cabo por medio de el convertidor de par. La adaptación a la potencia y a las características de diversos motores se realiza implantando diferentes versiones de convertidores.

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BOMBA, O CAJA DEL CONVERTIDOR.

Este elemento tiene paletas que se encargan de impulsar el aceite a la turbina. Se considera el elemento conductor, ya que gira solidario al motor, al que está unido e impulsa el aceite contra él.

Cuando se arranca el motor, el impulsor comienza a girar y empuja el aceite desde su centro hacia el borde exterior. La bomba dentro de un convertidor de par es un tipo de bomba centrífuga. A medida que gira, el fluido se lanza al exterior,  creándose un vacío que atrae más fluido hacia el centro.La sección de la bomba del convertidor de torque está conectada a la carcasa.

Posteriormente, el fluido ingresa a las palas de la turbina, que está conectada a la transmisión.

TURBINA

La parte de la bomba del convertidor de par, dirige aceite presurizado contra las palas de la turbina  para hacerla girar. Esto es lo que básicamente mueve el automóvil.

Las palas de la turbina están curvadas. Esto significa que el fluido que ingresa a la turbina desde el exterior debe cambiar de dirección antes de que salga del centro de la turbina. Es este cambio de dirección lo que hace que la turbina gire, y aquí es donde se conectar a la transmisión.

La turbina está conectada a una flecha, para transferirle potencia a la transmisión.

El fluido sale de la turbina moviéndose en dirección opuesta a la dirección en que giran la bomba (y el motor). Si se permitiera que el fluido golpeara la bomba, disminuiría la velocidad del motor, lo que consumiría energía. Es por eso que un convertidor de torque tiene un estator.

ESTATOR

Tiene como misión redirigir el aceite ocupado por la turbina y entregarlo al impulsor, cambiando de dirección el flujo de aceite, lo que permite aumentar el impulso del mismo.

Dentro del estator se encuentra un cojinete de un solo sentido, lo que permite que éste gire solamente en una determinada dirección. El estator se usa para redirigir el flujo de la turbina de regreso hacia la parte de la bomba, para completar el flujo de aceite.

Está montado sobre un mecanismo de rueda libre que le permite desplazarse libremente cuando los elementos del convertidor giran a una velocidad aproximadamente igual. El eje de salida está conectado por estrías a la turbina y envía el par al eje de entrada de la transmisión.

El eje de salida está conectado a la transmisión mediante una horquilla y un eje de mando o directamente al engranaje de entrada de la transmisión; recibe la fuerza desde la turbina y la entrega al eje de entrada de la transmisión.

El estator reside en el centro mismo del convertidor de par. Su trabajo es redirigir el fluido que regresa de la turbina antes de que golpee la bomba nuevamente. Esto aumenta drásticamente la eficiencia del convertidor de par.

El estator tiene un diseño de cuchilla muy agresivo que invierte casi por completo la dirección del fluido. Un embrague unidireccional (dentro del estator) conecta el estator a un eje fijo en la transmisión (la dirección en la que el embrague permite que el estator gire se observa en la figura anterior). Debido a esta disposición, el estator no puede girar con el fluido; puede girar solo en la dirección opuesta, lo que obliga al fluido a cambiar de dirección cuando toca las cuchillas del estator.