Investigación para la reducción de aflojamiento de tornillos de suspensión automotriz por irregularidades en el camino

Abstract

RESUMEN: El aflojamiento de tornillos es un problema común en uniones atornilladas, especialmente en aquellas que reciben una excitación vibratoria normal al eje del tornillo. Numerosos estudios analíticos y experimentales han descrito cómo ocurre el aflojamiento de tornillos. La mayoría de ellos están basados en la configuración de la máquina de Junker. El presente estudio está enfocado a la estimación de las fuerzas que actúan en el tornillo de una suspensión automotriz y al análisis experimental del aflojamiento. Un tornillo en la suspensión McPherson de un auto compacto se analiza experimentalmente. Este tornillo funciona como un perno para la rótula en la horquilla de la suspensión. Recibe las fuerzas de vibración transmitidas por el camino a través de la rueda y la rótula durante el transitar del automóvil. La condición del camino se obtuvo por medio de un acelerómetro montado a la horquilla de la suspensión y un sistema de adquisición de datos. Se adquirieron datos de cinco tipos de caminos con niveles de deterioro igualmente decrecientes, de una calle empedrada a una pavimentada recientemente. Los datos revelan que la aceleración más alta transmitida a la rótula se encuentra cuando el sistema se excita a una de las dos frecuencias naturales del sistema de la suspensión. Dicho sistema se analizó como un sistema resorte-amortiguador de dos grados de libertad excitado en la base, el cual es conocido como modelo de cuarto de coche. Las masas, rigideces y amortiguamiento del modelo se obtuvieron analíticamente, experimentalmente y del manual del automóvil. Las propiedades dinámicas de los componentes de la suspensión y los coeficientes de fricción rueda-pavimento se incorporaron a un modelo dinámico en Adams®. El modelo provee el rango de carga en el tornillo de interés. Una configuración experimental se creó para imitar la configuración real de la unión atornillada. Esta es capaz de transmitir una excitación localizada transversal al tornillo. El experimento diseñado tiene la intensión de medir el efecto de los principales factores que contribuyen al aflojamiento del tornillo: precarga, frecuencia de excitación, amplitud de excitación y el uso o no uso de una arandela anti-rotación. La configuración experimental puede capturar la deformación de la horquilla por medio de galgas extensométricas, lo cual permite medir la precarga en el tornillo de manera indirecta. Los resultados de este experimento proveen información de la significancia estadística de los factores probados y provee datos estadísticos para confirmar o rechazar la eficiencia de la arandela anti-rotación. ABSTRACT: Threaded Fasteners loosening is a common problem on bolted joints, especially on those receiving vibratory excitation normal to the bolt axis. Numerous analytic and experimental studies have described how self-loosening occurs. Most of them are based on the Junker machine bolted joint configuration. This study is focused on the estimation of the forces acting on a car suspension bolt and on the experimental analysis of loosening. A compact car McPherson suspension bolt is experimentally analyzed. This bolt serves as a stop to the ball stud in the suspension lower arm. It receives the vibration forces being transmitted by the road through the wheel and the ball joint during the transit of the car. The road condition was surveyed by means of an accelerometer mounted to the suspension lower arm and a data acquisition system. The acquisition was carried out on five types of roads with approximately equally decreasing levels of deterioration, from a cobbled street to a new paved street. The highest acceleration transmitted to the lower ball joint is found when the system is excited at one of the two natural frequencies of the suspension system. This system is analyzed as a two degree of freedom spring-damper system excited by a moving base, known as the quarter-car model. The parameters for the quarter-car model -mass, stiffness and damping- were obtained analytically, by test and from the car’s manual. The dynamic properties of the suspension components and the wheel-pavement friction coefficient were incorporated to an Adams® dynamics model. The model provides the range of load at the bolt of interest. An experimental setup was created to mimic the bolted joint configuration. It is able to transmit a localized transverse excitation to the bolt. The designed experiment is intended to measure the effect of the main factors contributing to the fastener self-loosening: preload, excitation frequency, excitation amplitude and the use or no use of an anti-rotation washer. The experiment setup is able to capture the clevis deformation by means of a strain gauge, which is an indirect measurement of the bolt preload. The results of this experiment provide information on the statistical significance of the tested factors and provide statistical data to confirm or reject the efficiency of the anti-rotation washer for this type of joint.