Diseno-y-construccion-de-un-tribometro-coaxial

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA 
DE MÉXICO 
 
 
 
FACULTAD DE INGENIERÍA 
 
 
 
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO 
COAXIAL” 
 
 
 
TESIS 
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: 
INGENIERO MECÁNICO 
 
 
 
PRESENTAN: 
 
OMAR EDER INIESTA GARCÍA 
 
ROSENDO MÁRQUEZ SÁNCHEZ 
 
 
 
DIRECTOR DE TESIS: 
 
DR. RAFAEL SCHOUWENAARS FRANSSENS 
 
 
 
 
 
 
 
 MÉXICO D.F. 2007 
 
 
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
Tesis Digitales 
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Agradecimientos. 
 
 
 
 
Se dice que vivimos varias vidas, 
la de este instante representa una de ellas, 
nunca sabré si es la última. 
 
Pero si así fuera, 
no me queda más que agradecer 
todos los momentos tan felices 
que he compartido con ustedes. 
 
No recuerdo nada de mis otras vidas, 
no recuerdo una madre tan amorosa como tú, 
no recuerdo un padre que en cada segundo me hiciera tan feliz, 
no recuerdo haber amado a alguien de la misma forma que a ti, 
no recuerdo unos hermanos que me cuidarán así, 
no recuerdo todos esos grandes amigos. 
 
Lo único que estoy seguro de recordar, 
es lo que quiero pedir a Dios. 
Si me quedan algunas vidas por vivir, 
sólo te pido, 
que en cada una de ellas 
y en cada momento, 
se encuentren conmigo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Omar Eder Iniesta García 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A lo largo de mi vida he conocido a muchas personas y a 
algunas ha sido muy agradable conocerlas. Si quisiera nombrar a 
cada una de ellas sería una tarea muy complicada y quizás no 
quedaría satisfecho nunca. Inclusive algunas personas se 
ofenderían si por olvido no las nombro y otras si el orden en el 
que aparecen no les gusta. Sin embargo todas han dejado una 
huella en mí, han colaborado en mi formación y crecimiento. 
Ahora que estoy a punto de finalizar una etapa de mi vida 
agradezco a todas las personas que he conocido por compartir 
conmigo estos años. 
 
 
Hay dos personas a las que me gustaría nombrar, ya que 
este trabajo se los dedico a ellos. Estas personas son mis padres 
a ellos hoy les doy las gracias y siempre estaré agradecido por 
darme la vida, su cariño, su comprensión, su apoyo, mi 
educación, mis principios, su tiempo, y muchas cosas más. Por 
último le agradezco a la vida haberme colocado en mi familia. 
 
 
 
 
 
Rosendo Márquez Sánchez. 
 
 
 
Índice 
_________________________________________________________________________________________________________ 
 
 
Objetivos 1 
Capítulo 1 Introducción 2 
1.1 Tribología 2 
1.1.1 Fricción 3 
1.1.2 Desgaste 4 
1.1.3 Lubricación 5 
1.2 Importancia de los tribómetros 6 
 
Capítulo 2 Tribómetros 8 
2.1 Definición 8 
2.2 Norma ASTM G132-96 9 
2.3 Tribómetros comerciales 12 
2.4 Tribómetros no comerciales 14 
2.4.1 Tribómetro de desgate adhesivo 14 
2.4.2 Crio- tribómetro de alta velocidad 16 
2.4.3 Tribómetro ambiental 19 
2.5 Generalidades 23 
 
Capítulo 3 Diseño del tribómetro coaxial 24 
3.1 Definición de proceso de diseño 24 
3.2 Proceso de diseño 25 
3.2.1 Identificación de la necesidad 25 
 3.2.2 Investigación preliminar 25 
3.2.3 Planteamiento de objetivos 25 
3.2.4 Especificaciones de desempeño 25 
3.2.5 Generación de ideas e invención 27 
 3.2.6 Análisis 46 
 3.2.7 Selección 51 
Capítulo 4 Diseño de detalle 54 
4.1 Introducción 54 
4.2 Cálculo de la potencia del motor 54 
4.3 Diseño del sistema de carga. 61 
4.3.1 Análisis de fuerzas en el sistema de carga. 61 
4.3.2 Cálculo del perno. 62 
4.3.3 Cálculo de los esfuerzos en las barras. 63 
4.3.4 Cálculo del tornillo de potencia. 64 
4.3.5 Generalidades del sistema de carga. 66 
4.4 Diseño del soporte del eje portapernos. 66 
4.5 Diseño del sistema motriz y de transmisión de potencia. 68 
4.6 Diseño del sistema porta-muestras. 68 
4.7 Diseño del sistema de soporte estructural. 69 
4.7.1 Diseño del soporte guía. 69 
4.7.2 Diseño de la mesa de soporte. 71 
4.8 Diseño del sistema de medición y adquisición de datos. 72 
 
Capítulo 5 Fabricación y resultados 74 
5.1 Construcción y armado del equipo 74 
5.1.1 Sistema de carga 74 
5.1.2 Sistema motriz y de transmisión de potencia 76 
5.1.3 Sistema de soporte del eje portapernos 78 
5.1.4 Sistema porta-muestras 79 
5.1.5 Sistema de soporte estructural 80 
5.1.6 Sistemas de medición y adquisición de datos 82 
5.1.7 Equipo final 83 
5.2 Funcionamiento del prototipo 84 
5.2.1 Prueba experimental 85 
5.2.2 Cálculos y resultados 87 
5.2.3 Resultados 95 
 
Discusión 96 
Conclusiones 99 
Referencias 100 
Anexo 102 
Objetivos 
_______________________________________________________________________________________________
 
 
 
La necesidad de un equipo que permita medir fricción y desgaste en 
metales, con la capacidad de simular las condiciones de operación presente en 
el rozamiento de metales y otros materiales condujo a lo siguiente: 
 
Diseñar un equipo (tribómetro coaxial) para medir tales fenómenos, que 
funcione en base a un sistema de desgaste similar al tipo perno-disco, por ser 
un sistema altamente sensible y común en estos aparatos. 
 
Construir dicho equipo, para obtener por medio de las propiedades 
físicas y mecánicas de los materiales, el coeficiente de fricción y el 
comportamiento al desgaste de los mismos. 
 
 
 1
Capítulo 1 
Introducción. 
______________________________________________________________________________________________________
 
 
1.1 TRIBOLOGÍA. 
 
Los primeros hombres que existieron hace miles de años elaboraron utensilios 
con los cuales dominaron y modificaron el medio ambiente. Cuando el hombre tuvo 
que trabajar para sobrevivir, inició la creación y perfeccionamiento de las 
herramientas que le permitieron modificar la naturaleza. “Es mucho más eficaz 
manejar una pala y blandir un cuchillo, que esperar a que la evolución nos dote de 
una mano que escarbe y otra que pueda tajar” [1]. Inconscientemente comenzó a 
utilizar la Tribología para disminuir el esfuerzo físico en las actividades que 
permitieron su desarrollo. El mejor ejemplo es la rueda, “el gran descubrimiento que 
permitió al hombre transportar de un lugar a otro objetos de peso considerable, 
disminuyendo las fuerzas que se oponían al movimiento” [2]. 
 
La Tribología ha existido desde hace varios miles de años, pero surgió 
formalmente como ciencia el 9 de marzo de 1966 en la Gran Bretaña. La palabra 
Tribología proviene de las raíces griegas tribos (frotamiento) y logos (estudio), el 
estudio del frotamiento. Se define como "la Ciencia y la Tecnología de la interacción 
de las superficies con movimientos relativos y las prácticas relacionadas" [2]. Ciencia 
multidisciplinaria que abarca la física, la química, la economía, la ciencia de los 
materiales, las matemáticas, la computación, pero que se fundamenta enel estudio 
de tres fenómenos: la fricción, el desgaste y la lubricación. 
“La importancia de la tribología se comprobó rápidamente por comisiones 
técnicas establecidas en países industrializados que estimaron el efecto económico 
de los problemas de fricción y desgaste. Éstas calcularon que hasta un tercio de toda 
la energía generada en procesos termodinámicos se pierde en forma de fricción” [3]. 
Si en un principio la Tribología se utilizó para facilitar el trabajo humano y 
reducir el tiempo en sus actividades, en la actualidad se orienta a la realización de 
investigaciones con el objetivo de mejorar los procesos y prácticamente todos los 
aspectos de la industria y la maquinaria. 
Estas investigaciones han conseguido avances que se reflejan en la vida 
diaria. Es una ciencia que surgió para resolver problemas ambientales, económicos y 
tecnológicos en beneficio del hombre. La Tribología ha demostrado ser una ciencia 
que permite el ahorro de materias primas y por ende recursos naturales, incrementa 
la vida útil de las herramientas y los elementos que conforman la maquinaria 
disminuyendo las fallas, reduce el consumo de energéticos al incrementar la 
eficiencia de los equipos, economiza los recursos financieros y protege el medio 
ambiente. Con esto se logra dar confiabilidad a largo plazo de la maquinaria y sobre 
todo una reducción de costos de operación, exigencia del mundo globalizado. 
 2
Capítulo 1 
 Introducción. 
El progreso de esta ciencia está sujeto al desarrollo de nuevos equipos e 
instrumentos que aporten conocimientos relacionados a la tribología y los cuales se 
diseñen para futuras investigaciones. 
El diseño de máquinas incluye análisis cinemático y de resistencia de los 
materiales. Las pérdidas generalmente se compensaban con sobre valoraciones en 
el diseño, ya que era difícil pensar en métodos o dispositivos que permitieran 
cuantificarlas. 
Los diseños actuales presentan análisis tribológicos, un diseño tribológico 
involucra los efectos de la fricción, el desgaste y la lubricación, así como todas las 
consideraciones de diseño tradicional. Son diseños que dentro de los cálculos 
consideran las pérdidas por rozamiento y se busca la forma de compensarlas. 
1.1.1 Fricción. 
La fricción se define como la resistencia al movimiento durante el 
deslizamiento o rodamiento que experimenta un cuerpo sólido al moverse 
tangencialmente sobre otro con el cual esta en contacto. La fricción no es una 
propiedad del material, es una respuesta del sistema y representa un proceso 
irreversible. 
Los primeros trabajos sobre el estudio de la fricción se atribuyen a Leonardo 
da Vinci a mediados del siglo XV [2]. Después de da Vinci diversas teorías de fricción 
fueron desarrolladas. En 1699 el francés Guillaume Amontons estableció las 
primeras leyes de fricción conocidas como leyes de Amontons. 
La primera ley de Amontons establece que la fuerza de fricción entre un par de 
superficies deslizantes que se encuentran una sobre la otra es proporcional a la 
fuerza normal que las sostiene: la fuerza tangencial requerida para deslizar un 
bloque a lo largo de otra superficie es proporcional al peso del bloque. Esta ley tuvo 
como resultado que cincuenta años después se introdujera por primera vez el 
concepto de coeficiente de fricción como el factor de proporcionalidad, lo propuso el 
matemático suizo Leonhard Euler en el siglo XVIII. 
La segunda ley de Amontons establece que la fuerza de fricción entre dos 
cuerpos sólidos es independiente del área aparente de contacto entre ellos, siempre 
y cuando la fuerza normal se mantenga constante. Estas leyes se presentaron ante 
la Real Academia de Ciencias Francesa. La primera se aceptó sin cuestionamientos, 
pero la segunda provocó dudas, sólo fue aceptada hasta que se repitieron los 
experimentos que confirmaron la conclusión de Amontons. Desde entonces se 
usaron extensamente por diseñadores e ingenieros. 
Aunque estas leyes se aplican hoy en día, no son exactas o existen casos en 
los cuales no se cumplen, pero se debe resaltar que los trabajos de Amontons 
destacan como los primeros avances de la tribología. 
 3
Capítulo 1 
 Introducción. 
Posteriormente se enfocó el estudio de la fricción desde el punto de vista en el 
que se consideraba que las superficies en contacto se adherían entre sí, esto lo 
propuso el inglés John Theophilus Desaguliers. Las rugosidades presentes en las 
superficies eran las causantes de la mayor parte de la fricción, provocando la 
adherencia de las superficies en contacto. Estas nuevas ideas dirigieron el estudio de 
la fricción a las teorías donde el área de contacto tiene cierta influencia. 
 
En base a los trabajos realizados por da Vinci, Amontons y Desaguliers, el 
científico francés Charles Coulomb estableció su teoría de fricción [2]. En 1781 
presenta su trabajo titulado “Teoría de las máquinas simples”, considerando la 
fricción de sus partes y la rigidez de sus superficies. En este trabajo hace la 
distinción entre fricción estática, considerando a esta como la fuerza requerida para 
comenzar el movimiento, y fricción dinámica, como la fuerza requerida para 
mantenerlo. Además, encontró que en general la fricción dinámica es menor que la 
estática, pero que la diferencia es casi imperceptible en los metales. 
La investigación de la fricción fue demostrando que este fenómeno afectaba el 
rendimiento de las máquinas y años más tarde, las investigaciones se enfocaban al 
estudio de materiales que pudieran emplearse como componentes de máquinas y 
como lubricantes en función de las condiciones de operación de éstos, y así reducir 
los efectos de la fricción. 
Los efectos más perjudiciales de la fricción se observan en tres formas: 
sobrecalentamiento de piezas, desgaste y pérdida de potencia. En los motores 
modernos de combustión interna tal vez el 15 al 20% de la potencia se utiliza para 
compensar las pérdidas por la fricción entre las diversas partes móviles internas. El 
rozamiento repetitivo provoca la generación de altas temperaturas en las superficies 
de contacto acelerando el desgaste. 
No en todos los casos la fricción repercute negativamente pues este fenómeno 
hace posible la transmisión de potencia y la disipación de energía. Las llantas, el 
clutch, las bandas de transmisión y las balatas de los frenos en un automóvil son 
ejemplos de piezas mecánicas que requieren elevadas fuerzas de fricción para 
funcionar correctamente. 
1.1.2 Desgaste. 
El desgaste es una consecuencia de la fricción, provoca daño de la superficie 
por la remoción de material de una o ambas superficies sólidas en movimiento 
relativo, ya sea por deslizamiento, rodamiento o impacto. Durante este movimiento 
relativo, el material en la superficie de contacto es desplazado por lo que las 
propiedades del sólido, al menos en o cerca de la superficie, se alteran, pero muy 
poco o nada del material se pierde. Posteriormente, el material puede ser removido 
de la superficie resultando en la transferencia a la otra superficie, o bien, puede 
perderse como una partícula del desgaste. El desgaste no es una propiedad del 
material, es una respuesta del sistema que involucra los procesos de adhesión, 
abrasión, fatiga superficial y deformación plástica acumulada [2]. 
 4
Capítulo 1 
 Introducción. 
 
El desgaste no sólo sucede por fricción, también puede presentarse por la 
corrosión. Sólo se menciona porque las investigaciones recientes la incluyen, la 
corrosión no depende del contacto, está en función de procesos químicos. 
 
El monitoreo del control del desgaste constituye ahora uno de los principales 
objetivos, tanto en el diseño mecánico como en las operaciones de mantenimiento. 
El mantenimiento preventivo que se realiza a la mayor parte de la maquinaria tiene 
como finalidad evitar el desgaste, con actividades enfiladas a evitar las fallas y paros 
no programados. 
 
Todo sistema tribológico o cualquier maquinaria en la cual se consideren los 
efectos de la fricción presentanun ciclo de vida. El ciclo de vida de un tribosistema 
se divide en tres etapas; mortalidad infantil, vida útil máxima y el periodo de desgaste 
terminal [4]. 
 
La mortalidad infantil se presenta por defectos de fabricación de los elementos 
del tribosistema y errores en las consideraciones de diseño mecánico que se 
resuelven con reingeniería. La vida útil máxima está presente cuando el desempeño 
es óptimo, puede aumentar por medio del mantenimiento preventivo. El desgaste 
terminal se da porque ningún tribosistema es eterno y llega el momento que debe 
reemplazarse, sólo se pospone con el mantenimiento y es una etapa natural de toda 
máquina. 
 
Hoy en día la prolongación de la vida útil de los componentes mecánicos por 
medio del control de la fricción y el desgaste se ha convertido en una herramienta 
para la reducción de los costos de producción en las industrias. 
 
1.1.3 Lubricación. 
 
El método para reducir el desgaste que se emplea desde hace muchos años 
es la lubricación. A través de numerosas evidencias que han sobrevivido hasta 
nuestros días, se sabe que civilizaciones antiguas como egipcios, griegos y romanos 
empleaban la lubricación en sus máquinas primitivas. Un ejemplo es el aceite de 
oliva, el cual era utilizado como lubricante de los mecanismos de transporte y 
levantamiento de cargas. 
 
La “lubricación es la aplicación de un medio (gas, líquido o sólido) en alguna 
zona donde se espera fricción y desgaste. El lubricante tiene el objetivo de disminuir 
la severidad de estos fenómenos a través de la separación de las superficies en 
movimiento para evitar el contacto y disminuir el esfuerzo cortante entre los dos”. [3] 
 
La función de los lubricantes siempre ha sido disminuir las pérdidas por 
rozamiento y el desgaste de las superficies de los elementos en movimiento. La 
explicación de toda la teoría de lubricación se basa en la mecánica y dinámica de 
fluidos, pero está fuera del alcance del presente trabajo. 
 
 5
Capítulo 1 
 Introducción. 
Aunque los lubricantes se utilizan para reducir la fricción y el desgaste, estos 
no logran evitarlo por completo. En casos donde la fabricación de las piezas de 
máquinas es insuficiente o la mala manufactura empleada en la construcción de 
estas implica que el desgaste estará presente, independiente a la lubricación. A 
pesar de que los acabados realizados en las superficies muestren pulidos 
excelentes, a nivel microscópico se observan asperezas. 
 
Otro caso se da al arranque de una máquina, en el cual se provoca 
rozamiento de las piezas sólidas móviles por la falta de lubricación, esto se debe a 
los sistemas de lubricación, los cuales comienzan a operar después de que la 
máquina se ha encendido. Se observa claramente en los motores de combustión 
interna, el mayor desgaste se produce al encenderlo, existe rozamiento entre el 
metal de los anillos y el metal del cilindro porque sólo después de unos segundos los 
anillos arrastran el aceite de lubricación. 
 
Los lubricantes cumplen con otras funciones, actúan como un medio de 
transferencia de calor generado por el contacto continuo de las piezas, sirven para 
eliminar las impurezas que se forman dentro de los sistemas al desgastarse y para 
proteger los equipos de fenómenos tales como la corrosión. Los lubricantes más 
conocidos son los aceites y las grasas, algunos naturales y otros sintéticos. 
 
La lubricación es una herramienta esencial del mantenimiento por lo que la 
selección de lubricantes debe realizarse de acuerdo a las exigencias de operación de 
los equipos, utilizar lubricantes de alto desempeño y de calidad garantiza la 
reducción en la fricción y el desgaste. 
 
1.2 IMPORTANCIA DE LOS TRIBÓMETROS. 
 
El encontrar nuevos métodos que permitan reducir la fricción ha llevado a la 
creación de equipos los cuales simulen condiciones semejantes a las que se 
presentan en las máquinas. La imperiosa necesidad de medir fricción y desgaste en 
piezas sometidas a condiciones de operación donde se exige alto desempeño llevó a 
la construcción de los tribómetros. 
 
El principal problema que ha limitado el uso de estos equipos, sin duda, es el 
elevado costo. Otro problema que se presenta es que el investigador se restringe a 
las pruebas que puede realizar con él y al tipo de muestras para las que se diseñó, 
por tanto es complicado conseguir un equipo que se amolde a sus exigencias. El 
inconveniente de presentar elementos manufacturados en otros países no permite 
garantizar que en caso de falla, existan refacciones o personal capacitado que pueda 
solucionarlo en un tiempo razonable. 
 
La falta de un equipo que permita medir fricción y desgaste en cualquier tipo 
de metal, con la capacidad de aplicar cargas y velocidad de rotación variable, de 
costo accesible y con un tamaño reducido condujo a la idea de diseñar y construir un 
equipo propio, además, al percatarse que un equipo de estos es indispensable para 
la investigación de nuevas aleaciones tribológicas o en la optimización de otras. 
 6
Capítulo 1 
 Introducción. 
El estudio de nuevas aleaciones tribológicas u optimizadas es posible con un 
equipo que imite el contacto en una máquina y permita medir el coeficiente de 
fricción y desgaste, este equipo facilitará la evaluación de las propiedades de estas 
aleaciones y la selección de la aplicación. 
 
El uso que puede darse a estos equipos no sólo se limita al estudio de 
aleaciones tribológicas, sino como se mencionó anteriormente, puede aplicarse en el 
diseño de sistemas tribológicos para maquinaria. 
 
La maquinaria actual se basa en diseños tribológicos que conducen a la 
reducción de las fuerzas de fricción, dentro de estos diseños se tiene una gran 
variedad de componentes como: los rodamientos, cojinetes, anillos de pistón, levas, 
engranes, etcétera. Si al experimentar con nuevos materiales, estos presentan un 
mejor desempeño con respecto a la fricción y el desgaste, dichos materiales 
sustituirán a los aplicados actualmente, el tribómetro es la herramienta para evaluar e 
indicar si existe tal material. 
 
La ventaja de simular con los tribómetros las condiciones de operación de los 
metales en contacto permite que estos equipos puedan emplearse para probar 
lubricantes y aditivos. 
 
Un estudio más detallado de estos equipos se presenta en el siguiente 
capítulo, los posteriores van enfilados a mostrar el diseño del equipo, las partes que 
lo conforman, la construcción, el manejo y los resultados obtenidos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 7
Capítulo 2 
Tribómetros. 
______________________________________________________________________________________________________
 
 
2.1 DEFINICIÓN. 
 
“Tribómetro es el nombre general que se le asigna a una máquina o prototipo 
utilizado para llevar a cabo pruebas y simulaciones de desgaste, fricción y lubricación 
los cuales son objeto de estudio de la tribología” [5]. 
 
Un tribómetro puede medir la fricción sobre una superficie en base a una gran 
cantidad de métodos, uno de los cuales se realiza con una bola deslizante sobre la 
superficie de referencia para obtener un valor relativo de fricción (llamado bola sobre 
disco). 
 
 El método original para medir la fricción es un aparato que incluye una masa 
colgante y una masa en reposo conectadas por medio de una cuerda y una polea 
(figura 2.1). 
 
 
Figura 2.1 Aparato para medir fricción 
 
El coeficiente de fricción estático (µs), el cual es una constante necesaria para 
determinar la fuerza de fricción y resolver por análisis de fuerzas el sistema, puede 
medirse a través de este aparato. La ecuación general para la fuerza de fricción es 
Ff = µsN, donde N es la fuerza normal, la cual es igual a el peso o la masa por la 
constante gravitacional. 
 
El coeficiente de fricción puede ser determinado por dos cosas en este 
aparato: la tensión de la cuerda que conecta las dos masas a través de la polea y el 
peso de la masa colgante, mH es la masa colgante y mT la masa colocadaen la 
superficie de referencia. La fuerza de fricción estática es la que determina la fuerza 
 8
Capítulo 2 
 Tribómetros 
necesaria para mover el objeto, no hay aceleración en la masa mT y significa que la 
tensión de la cuerda o de la masa mT es igual a la fuerza de fricción y la fuerza de 
fricción es igual al peso del objeto colgante. Así, Ff debe ser igual al peso W. 
Como Ff = µsN y como N = mg se tiene que µsmTg = Ff y como la fuerza de 
fricción es igual al peso del objeto colgante se obtiene que µs = mHg/mTg. 
Abreviando, este tipo de aparato únicamente permite medir el coeficiente de 
fricción estático al encontrar la masa colgante que inicia el movimiento de la masa 
sobre la superficie, la fuerza de fricción se iguala al peso colgante. 
Este tribómetro sirve para realizar mediciones experimentales y solo se 
menciona porque ejemplifica el método más antiguo de medir fricción, pero en estos 
días la exigencia tecnológica descalifica por completo el uso de estos aparatos, pues 
simular las condiciones de cualquier máquina se complica y la veracidad de los 
resultados queda en entredicho. 
2.2 NORMA ASTM G132-96. 
El diseño de maquinaria actual ha encontrado en los tribómetros un apoyo 
esencial en la simulación del contacto de los diversos elementos mecánicos que 
pueden constituir una máquina. Por medio de estos equipos se alcanzan altos 
niveles de seguridad y gran tiempo de vida, ya que al seleccionar los materiales con 
el mejor comportamiento al desgaste en las mismas condiciones de operación da 
cierta confiabilidad. 
Diversas compañías que se dedican a la construcción de tribómetros ofrecen 
estos equipos con diferentes características, aunque aun así no se garantiza que sea 
fácil encontrar algún modelo que se ajuste a las necesidades del investigador, 
involucrando las complicaciones que se mencionaron en el capítulo anterior. 
 
Es muy difícil clasificar a los tribómetros, pues como la misma definición indica 
hay gran cantidad de métodos para medir fricción, esto no impide que se relacionen 
ciertas características que hacen comunes a los diseñados por investigadores y los 
equipos comerciales. 
 
Uno de los métodos para medir fricción y desgaste se basa en una bola 
deslizante, este tipo de tribómetro es comercial y se caracteriza por ser el método 
estándar. El tribómetro de bola deslizante presenta una gran cantidad de variantes, 
tan sólo el mencionar bola deslizante involucra pernos con punta esférica, esferas, 
discos, tambores y otras superficies. 
 
“Probablemente el aparato más común utilizado en laboratorios de tribología 
para realizar mediciones de fricción y que permite usarse también para medir el 
grado asociado de desgaste en superficies dañadas, es uno basado en la 
configuración perno-disco” [6]. 
 
 9
Capítulo 2 
 Tribómetros 
La norma de la ASTM que proporciona información concerniente a los 
tribómetros con la configuración perno-disco es la G132-96 [7]. Establece la 
metodología estándar de prueba para desgaste por medio de pernos. 
 
El método abarca un procedimiento de laboratorio para determinar la 
resistencia al desgaste de un material cuando existe un movimiento relativo entre 
una tela abrasiva, papel o una capa de plástico y un material de prueba en forma de 
perno. 
 
Para el método de prueba de abrasión con pernos, se requieren dos pernos, 
uno es el material de prueba y el otro cumple con la función de material de 
referencia. Cada perno, en turno, se posiciona perpendicular a la superficie abrasiva 
que usualmente son discos circulares planos, otra superficie plana o la superficie 
cilíndrica de un tambor. El contacto que existe entre el perno y la superficie abrasiva 
representa un tribopar en simulación. La máquina de prueba permite movimiento 
relativo entre la superficie abrasiva y la superficie del perno. La trayectoria de 
desgaste que describe el perno es continua, sin cubrir parcialmente partes de la 
superficie, tales como: una espiral, hélices, curvas de dientes de sierra. Es preferible 
que exista un desplazamiento suficiente entre pasos sucesivos para permitir que otro 
perno trace una trayectoria paralela en la superficie. 
 
El perno espécimen es presionado contra la superficie abrasiva con una carga 
específica, por medio de pesos muertos u otro sistema de carga conveniente. La 
rotación del perno sobre su propio eje es opcional, sin embargo, los resultados con o 
sin rotación del perno con diversos sistemas de carga pueden diferir. 
 
La cantidad de desgaste se determina al pesar antes y después de la prueba, 
ambos especimenes. El valor de la pérdida de masa debe convertirse a volumen 
perdido usando el mejor valor disponible de la densidad del espécimen. El uso de 
cambios de longitud para indicar la cantidad de desgaste no se recomienda para el 
método de prueba. 
 
Los resultados de desgaste son reportados como un volumen perdido y como 
el volumen de desgaste normalizado con respecto a la carga normal aplicada, para la 
longitud de la trayectoria de desgaste y para el desgaste promedio del espécimen de 
referencia sobre el mismo tipo de abrasivo. 
 
La cantidad de desgaste en algún sistema dependerá de varios factores tales 
como la carga aplicada, las características de la máquina, la velocidad de rotación, el 
medio ambiente y las propiedades de los materiales. 
 
Como se menciona en esta norma todas estas variables hacen que los 
tribómetros de perno-disco presenten diversos diseños que no han permitido una 
uniformidad. Esta misma norma describe algunas de las características de los 
aparatos para pruebas. 
 
 10
Capítulo 2 
 Tribómetros 
En los dibujos de la figura 2.2 se muestran los típicos sistemas de prueba de 
desgaste, todos son variantes de la bola deslizante: perno sobre disco, perno sobre 
mesa, perno sobre banda y perno sobre tambor. En cada uno de los sistemas el 
perno puede o no rotar sobre su propio eje y es presionado contra una superficie 
abrasiva con la aplicación de una fuerza normal y con un movimiento relativo entre el 
perno y la superficie. 
 
 
Figura 2.2 Sistemas de desgaste con pernos 
 
La trayectoria de desgaste es normalmente una espiral sobre discos, una 
combinación de segmentos lineales sobre otros planos, una hélice ovalada sobre 
bandas y una hélice cilíndrica sobre tambores. Trayectorias más complejas pueden 
obtenerse dependiendo de la tecnología disponible. 
 
Las máquinas de prueba deben ser lo suficientemente rígidas y estables para 
evitar que la vibración no afecte los resultados de las pruebas. Las superficies que 
soportan los pernos y las superficies abrasivas deben ser rígidas. Son necesarios 
sistemas impulsores que permitan mantener una velocidad rotacional constante en el 
caso de que el perno este rotando, por lo que se requieren sistemas con la 
capacidad de controlar y determinar la velocidad de rotación. 
 11
Capítulo 2 
 Tribómetros 
 
Los dispositivos para soportar los pernos espécimen como chuck, juntas o 
cualquier otro mecanismo deben garantizar una sujeción firme del perno. El porta 
pernos debe moverse libremente, con fricción insignificante, en la dirección de su eje 
axial longitudinal (esto es, perpendicular a la superficie abrasiva), aun si está 
rotando. 
 
Para realizar las mediciones de desgaste el sistema debe contar con una 
báscula para medir la masa pérdida de los especimenes con una sensibilidad de 
0.0001 (g) o superior a este, este no es el único método por el cual se puede 
determinar la cantidad de material removido de la superficie, como se mostrará 
posteriormente al referir los diseños actuales que involucran otras metodologías de 
medición. 
 
La norma ofrece algunas recomendaciones con respecto a la información que 
se obtiene durante los experimentos. Los reportes deben contener toda la 
información necesaria para permitir una repetición independiente del método de 
prueba. La información incluirá la forma y dimensiones de la muestra, el tipo de 
material, la composición,procesamiento o la historia de preparación, micro estructura 
y dureza, si es conveniente, y otros detalles o características que puedan aplicarse 
en casos especiales. Las condiciones de la prueba se reportan al explicar el tipo de 
aparato utilizado, las cargas aplicadas, velocidades de rotación, así como la 
temperatura ambiente y la humedad relativa. 
 
La norma G132-96 únicamente se refiere a pruebas de desgaste, no menciona 
nada sobre fricción y en ningún momento especifica que a los aparatos se les 
nombra tribómetros, pero toda la información que contiene es la base de estas 
máquinas y no se debe perder de vista que el desgaste es una de las áreas de 
estudio de la tribología. En esencia, esta norma proporciona las características 
generales de los tribómetros y una forma de clasificación para el tipo perno-disco. 
 
 
2.3 TRIBÓMETROS COMERCIALES. 
 
Ahora que se cuentan con nociones de los tribómetros se muestran algunos 
ejemplos comerciales [8]. La figura 2.3 muestra el tribómetro de la serie TRM con 
capacidad de carga 1000 y 5000 [Newton]. Es posible variar la velocidad rotacional 
desde 1 [RPM] hasta 8000 [RPM], el torque oscila en el intervalo de 0.015 [Nm] hasta 
1 [Nm]. Operan bajo el sistema de perno-disco, disco-disco y bola-disco. Puede 
medir la temperatura, la fuerza normal, torque de fricción, la cantidad de desgaste 
lineal, velocidad rotacional, la humedad y la resistencia ohmica en el contacto. 
 12
Capítulo 2 
 Tribómetros 
 
Figura 2.3 Tribómetro serie TRM 
 
 Los tribómetros tipo UTM (figura 2.4) operan bajo el sistema disco-disco, 
con capacidad de una carga máxima de 2000 [Newton] y con velocidades de rotación 
desde 1 hasta 800 [RPM]. Incluye sensores para medir temperatura del líquido 
lubricante, la fuerza normal, el torque de fricción y la cantidad de desgaste lineal. 
 
 
Figura 2.4 Tribómetro tipo UTM 
 
La serie MTM de tribómetros, son equipos con sistemas perno-disco y disco-
disco (figura 2.5). Tanto la fuerza de fricción, la velocidad de rotación, la cantidad de 
desgaste lineal, temperatura y humedad son medidos. La máxima carga es de 10 
[Newton] y la velocidad rotacional oscila entre 1 y 800 [RPM], el torque va desde 
0.015 [Nm] hasta 1 [Nm]. 
 
Figura 2.5 Tribómetro MTM-10 
 
 13
Capítulo 2 
 Tribómetros 
Como se indica en la norma, los principales parámetros involucrados en 
pruebas de desgaste son la carga, la velocidad rotacional y el medio ambiente. El 
fabricante destaca estos parámetros además del torque, el cual no se menciona en la 
norma, pero posteriormente se demuestra la importancia de este parámetro para 
estudios de fricción y desgaste. 
 
En estos tres modelos destacan los diferentes rangos de velocidades, de 
carga normal y torque que pueden aplicar. El utilizar un equipo como el tipo MTM-10 
cuyos rangos de medición son inferiores a los otros dos modelos garantiza que los 
resultados que se obtienen son más exactos, pues este equipo es más sensible, pero 
limita al usuario a estas condiciones de operación. El tamaño del equipo está en 
función de los rangos de operación, la serie TRM presenta un diseño robusto por las 
altas cargas que impone, en comparación con la serie MTM. 
 
La serie que alcanza la velocidad de giro máxima es la TRM con 8000 [RPM], 
tanto los tribómetros tipo MTM como los de la serie UTM trabajan a velocidades 
inferiores a 1000 [RPM]. Esto indica que existen equipos con altas y bajas 
velocidades de rotación, pero no hay un criterio para establecer los rangos de esas 
velocidades. 
 
 
2.4 TRIBÓMETROS NO COMERCIALES. 
 
Es responsabilidad del investigador seleccionar el equipo que se amolde a sus 
exigencias, pero la falta de información de los fabricantes o el sinfín de experimentos 
que se proponen en el presente hacen que los tribómetros comerciales no siempre 
cumplan con los requerimientos de una comunidad científica en desarrollo continuo. 
 
Esto ha llevado a que la construcción de los tribómetros se realice de acuerdo 
a un problema en específico, la inflexibilidad de los tribómetros comerciales para 
abarcar todas esas necesidades hace que en muchas ocasiones el tribómetro sea 
diseñado por la misma persona que lo requiere y que pueda solucionar su problema. 
 
2.4.1 Tribómetro de desgate adhesivo. 
 
Tal es el caso del estudio tribológico realizado por Jhon Jairo Coronado [9], 
en el cual se diseñó un tribómetro de desgaste adhesivo para reproducir las 
condiciones de operación de los molinos de caña, que permitiera ensayar diferentes 
combinaciones de materiales para los cojinetes y ejes, pues estos presentan fallas 
como: desgaste, fisuras y quemaduras. 
 
Las simulaciones en el tribómetro tuvieron como objetivo seleccionar el 
material más adecuado para el cojinete (aleaciones de bronce) y un lubricante que 
presentará el mejor comportamiento al desgaste. 
 
 
 14
Capítulo 2 
 Tribómetros 
El equipo diseñado por estos investigadores (figura 2.6) consta de un eje (A) 
soportado por dos rodamientos, en el cual se monta el anillo de acero por evaluar. En 
un principio, el sistema de carga que utilizaron consistía en un tornillo de potencia (B) 
que posteriormente fue modificado para cargar el alojamiento (C) del cojinete a 
través de una celda de carga (D). La celda de carga trabaja a compresión y permite 
conocer la fuerza normal aplicada a las muestras. La temperatura se mide por medio 
de un sensor que se encuentra en contacto con el bronce del alojamiento (C), el 
desgaste del bronce se evalúa por simple pérdida de peso o por el ancho de la 
marca dejada sobre la superficie de la probeta. 
 
El diseño del tribómetro permite usar el bronce en forma cilíndrica o de bloque. 
El eje (A) presenta un escalón que sirve como tope para la colocación de los anillos 
de prueba. 
 
Figura 2.6 Tribómetro adhesivo 
 
El tribómetro permite cuantificar parámetros como: la fuerza de fricción, la 
temperatura de contacto, la temperatura del lubricante, la velocidad de deslizamiento, 
el tiempo de recorrido y el desgaste de las probetas. De esta forma el tribómetro 
evalúa el rendimiento de diferentes materiales y lubricantes respecto al desgaste y el 
coeficiente de fricción. La figura 2.7 muestra la imagen del equipo final construido 
por este grupo de investigación. De acuerdo a la norma G132-96, el tribómetro 
diseñado por estas personas está basado en el sistema perno sobre tambor, pues 
como se muestra en la figura 2.7 la configuración es parecida a la mostrada en la 
figura 2.2 inciso b. Este tribómetro permite variar la velocidad rotacional, la carga, el 
tipo de lubricante y las muestras. 
 
 
Figura 2.7 Tribómetro adhesivo 
 
 15
Capítulo 2 
 Tribómetros 
 
Finalmente, estos investigadores realizaron las pruebas tribológicas 
pertinentes para seleccionar el tribopar para los cojinetes y el eje, en base a los 
resultados de desgaste y coeficiente de fricción calculados. Simularon los molinos de 
caña con un tribómetro en el que se planteó un funcionamiento similar a esas 
máquinas, el probar con algún equipo comercial como los que mostramos 
anteriormente también era posible, aunque estos operan con un sistema distinto 
(perno-disco). 
 
Los tribómetros que son diseñados por algún grupo de investigación 
generalmente reportan parámetros que no se incluyen en los tribómetros 
comerciales, esta es la principal característica de un diseño propio. 
 
El ir añadiendo nuevos parámetros de medición en los tribómetros ha 
provocado que se conviertan en máquinas tan complejas tecnológicamente que es 
difícil decir cual es el equipo más completo en la actualidad. Pero hay que destacar 
que el sistema de desgaste de mayor uso por parte de los investigadores es el de 
perno-disco, ya que este método está estandarizado. 
 
2.4.2 Crio- tribómetro de alta velocidad 
 
El crio-tribómetro de alta velocidad desarrollado por B. Subramonian y 
Bikramjit Basu [10] para estudios tribológicos a temperaturas criogénicas es un caso 
en el cual seaplica el sistema perno-disco e involucra alta tecnología. 
 
Los estudios de fricción y desgaste de materiales en medios criogénicos son 
relevantes para aplicaciones espaciales. Las condiciones criogénicas (temperaturas 
inferiores a 0° C) con fluidos como el nitrógeno o helio y las altas velocidades de 
deslizamiento son condiciones de operación de las bolas en rodamientos de turbo-
bombas de cohetes espaciales. Pocos tribómetros trabajan en tales circunstancias 
(equipos diseñados por otros investigadores) y no hay equipos comerciales que 
funcionen en ambientes tan severos. 
 
En este tribómetro el deslizamiento ocurre entre una bola estacionaria y un 
disco rotatorio a grandes velocidades (máximo 36000 [RPM]). Cuenta con un sistema 
que permite variar y monitorear la carga y la velocidad rotacional, simultáneamente 
obtiene el coeficiente de fricción en función de esas variables y las condiciones del 
medio. 
 
Dicho tribómetro está constituido por los siguientes elementos: 
a. Un eje flexible. 
b. Porta discos con un ensamble estacionario para colocar bolas y una unidad 
de montaje de rodamientos. 
c. Sistema de carga. 
d. Motor y caja de engranes. 
e. Sistema de adquisición de datos con controladores electrónicos. 
 
 16
Capítulo 2 
 Tribómetros 
El eje flexible se conecta en un extremo a la caja de engranes y en el otro al 
disco de prueba. El ensamble porta-bolas estacionario se encuentra en la parte 
inferior del disco de prueba, el cual está conectado rígidamente al eje flexible. El 
acoplamiento entre el eje flexible y el porta-disco es un rodamiento que presenta 
calentadores por radiación para mantenerlo a temperatura ambiente. La rigidez de 
esta pieza es una característica que asegura la remoción instantánea de partículas 
de desgaste durante las pruebas. El escenario es diferente si las partículas no se 
remueven porque se da el caso de tres cuerpos de desgaste en lugar de dos. 
 
El disco espécimen se coloca dentro del porta-discos, el porta-bolas sostiene 
las bolas de prueba en cuatro diferentes posiciones radiales sobre el disco 
espécimen para conseguir diferentes rangos de velocidad lineal de deslizamiento. 
Esta característica permite al investigador realizar cuatro pruebas distintas en un solo 
disco, benéfico en el caso de que la disponibilidad del material con el que se 
manufactura el disco este limitado por el costo. 
 
El motor alcanza una velocidad máxima de 36000 [RPM] sin vibración ni 
sonidos, la variación de la velocidad se realiza con una caja de engranes de 14 
velocidades. El sistema de carga utiliza un peso muerto colgado sobre una polea, 
este arreglo conduce a una carga constante en los experimentos. El único 
inconveniente a este sistema se observa al intentar aplicar grandes cargas, son 
sistemas que manejan pesas por lo que las cargas se limitan a valores pequeños. 
 
La adquisición de datos se realiza con el software comercial LabVIEW™, el 
cual registra por medio de sensores las mediciones del torque de alta velocidad y 
transductores piezoeléctricos de fuerza para obtener la fuerza de fricción. Todos los 
elementos descritos se observan en la figura 2.8 a excepción de los sistemas de 
adquisición de datos. 
 
Figura 2.8 Crio-tribómetro de alta velocidad 
 
 17
Capítulo 2 
 Tribómetros 
El desgaste producido por las bolas sobre el disco se calcula con la pérdida de 
masa ocupando una báscula electrónica de alta precisión. Al contar con la masa 
pérdida se convierte a volumen por medio de la densidad del material. La pérdida de 
material por desgaste se presenta como un índice de desgaste, este es el volumen 
perdido normalizado con respecto a la carga normal y la distancia total de 
deslizamiento. 
 
Estos investigadores aplican el método propuesto por la norma G132-96 para 
la cuantificación del índice de desgaste, al utilizar mediciones con básculas para la 
pérdida de material. Este elemento no se incluye en el crio-tribómetro, pero es 
indispensable en la medición del índice. Las características del crio-tribómetro se 
proporcionan en la tabla 2.1. 
 
Tabla 2.1 Especificaciones del Crio-tribómetro 
 
Parámetro Mínimo Máximo Variables 
Diámetro de las bolas 
[mm] 
4 10 4, 6, 8 y 10 [mm] 
Diámetro del disco 
[mm] 
20 40 20-40 [mm] 
Carga axial [N] 0 50 1, 2, 5, 10 y 20 [N] 
Diámetro de la 
trayectoria de desgaste 
10 30 10, 15, 20, 25 y 30 [mm] 
Velocidad de prueba 
[RPM] 
850 36000 7 pasos 
Fuerza de fricción [N] 0 5 Cualquier valor 
(sensibilidad de 0.1 [N]) 
 
La innovación tecnológica llevada a cabo en este equipo es, sin duda, las 
velocidades de giro y la capacidad de trabajar a temperaturas bajo 0° C. De los tres 
equipos comerciales que se presentaron, ninguno puede alcanzar ese régimen de 
giro y no especifican que puedan operar a las mismas condiciones ambientales que 
el crio-tribómetro. 
 
Estos investigadores consideran que los tribómetros más comunes en el 
mundo son aquellos que operan a bajas velocidades de giro (máximo 1500 rpm), el 
crio-tribómetro alcanza como velocidad mínima 850 rpm y no puede variar la 
velocidad a un régimen inferior a este valor. El utilizar una caja de engranes como 
medio para variar la velocidad de giro limita las velocidades pues solo pueden 
obtenerse siete pero el eje flexible con el que transmiten la potencia aísla el 
tribómetro del motor, lo que garantiza poca vibración y alta sensibilidad en las 
pruebas. 
 
 18
Capítulo 2 
 Tribómetros 
2.4.3 Tribómetro ambiental. 
 
Se han presentado cinco tribómetros con diversas características de 
funcionamiento (cargas, temperaturas, velocidades de giro y torque) ejemplificando 
equipos comerciales y los diseñados por investigadores. 
 
Los recientes avances en tribología se deben principalmente a los nuevos 
parámetros en los tribómetros y el uso de tecnología de punta. El alcanzar grandes 
velocidades de giro, como en el crio-tribómetro, implica avances en la construcción 
de motores eléctricos que alcancen tales velocidades y sistemas capaces de 
transmitir esa potencia. 
 
El tribómetro construido por un grupo de investigadores franceses encabezado 
por A. S. Adamou [11], para el estudio de la reactividad en superficies frotadas es 
quizás el equipo más completo con el principio de perno-disco, la instrumentación 
empleada y las nuevas características fueron resultado de los conocimientos de la 
técnica moderna. 
 
Los tribómetros con la capacidad de un control térmico y de aspectos 
fisicoquímicos (atmósfera y temperatura) son escasos ya que la gran mayoría de los 
tribómetros imponen condiciones mecánicas en el contacto (carga y velocidad) y sólo 
pocos aplican control ambiental. Estos pocos equipos presentan diseños complejos 
que incluyen cámaras herméticas que alcanzan el vacío y elementos calentadores 
para simular cambios de temperatura. 
 
De acuerdo a estos investigadores existen dos categorías de tribómetros 
ambientales: los que imponen condiciones químicas en el contacto y los que 
involucran condiciones químicas y físicas. 
 
La primera categoría trabaja usualmente a la temperatura del sitio 
experimental y alcanzan vacíos de 10-6 [bar] dentro de la cámara de prueba, para 
inyectar gases reactivos. La hermeticidad de la cámara requiere acoplamientos 
magnéticos para asegurar la rotación del disco. 
 
La segunda categoría requiere de soluciones tecnológicas avanzadas para la 
instalación de calentadores, en especial para baleros y juntas, y las cámaras de 
vacíos para la inyección de gases. Este tipo fue el diseño seleccionado por el grupo 
de investigación francés, con la configuración perno-disco y que trabaja en aire o al 
vacío. 
 
El perno permanece fijo mientras el disco gira a velocidad constante. El 
aparato consta de tres partes separadas por dos placas (figura 2.9). La placa inferior 
está fijada a la estructura y sirve como plano de referencia. La placa superior puede 
deslizar hacia arriba y hacia abajo por medio de cuatro guías para permitir la 
colocaciónde las muestras. 
 19
Capítulo 2 
 Tribómetros 
 
Figura 2.9 elementos principales del tribómetro ambiental 
 
La parte superior engloba un sistema de carga y sensores de torque, fuerza 
normal y desplazamiento vertical que se ubican dentro de la cámara de vacío. La 
carga se aplica por un brazo de palanca que actúa por gravedad y es externo a la 
cámara de vacío, la carga se transmite por medio de un eje. De esta forma la 
muestra soporta la carga y permanece independiente de la presión atmosférica. 
 
La parte inferior asegura la rotación de un eje, utiliza un motor eléctrico 
asociado a un convertidor de frecuencia y una junta magnética transmite (sin 
contacto) el movimiento rotatorio a un eje inferior a través de una placa no 
magnética. 
 
En la parte central se ubica la cámara en la cual el perno y el disco están en 
contacto, el eje de carga transporta el perno y el eje rotatorio inferior el disco. Este 
par de ejes coaxiales son guiados por dos rodamientos lineales. La cámara de vacío, 
el sistema de calentamiento y de enfriamiento rodean la cámara de pruebas. 
 
El sistema de calentamiento consiste en un horno de radiación que incluye 
ocho lámparas de halógeno. El horno se divide en dos partes simétricas que 
permiten abrirlo y colocar las muestras en la cámara (figura 2.10). 
 
 20
Capítulo 2 
 Tribómetros 
 
Figura 2.10 Sistema de calentamiento del tribómetro 
 
Con este sistema pueden alcanzarse temperaturas de 900 °C dentro de la 
cámara en 7 minutos en vacío. La superficie del horno y las conexiones de las 
lámparas se enfrían por una red de circulación de agua, también enfrían los 
rodamientos lineales para evitar calentamiento en los ejes de carga y el de rotación. 
 
La cámara de vacío incluye la cámara de pruebas y dos satélites corona 
situados sobre y debajo de la cámara de prueba, estas coronas actúan como sello 
entre la cámara de pruebas y las placas superior e inferior. Para alcanzar el vacío en 
la cámara se extrae desde la corona inferior el aire con dos bombas, obteniendo una 
presión residual de 10-6 [mbar]. En el satélite superior e inferior se realizan 
mediciones de presión, una vez que se consigue una presión de vacío pueden 
inyectarse gases dentro de la cámara de pruebas. 
 
El porta muestras es bastante complejo porque involucra un eje que transmite 
la carga y una junta magnética que permite la rotación del disco cuyo giro es 
transmitido por otro eje y aislantes térmicos (figura 2.11). 
 
Figura 2.11 Porta-muestras del tribómetro ambiental. 
 
 21
Capítulo 2 
 Tribómetros 
El tribómetro ambiental permite mediciones de: torque de fricción (se obtiene 
el coeficiente de fricción), la carga normal aplicada, desplazamientos de altura del eje 
superior causados por la expansión térmica. Presenta termocoples para medir y 
regular la temperatura de las muestras, un sensor de presión colocado en el satélite 
corona inferior para controlar el nivel de vacío, un espectrómetro de masas ubicado 
en el satélite corona superior proporciona la presión parcial del oxígeno y gases 
inertes o reactivos. Las características más importantes del tribómetro ambiental se 
resumen en la tabla 2.2. 
 
Tabla 2.2 Especificaciones del tribómetro ambiental 
 
Parámetro Mínimo Máximo 
Diámetro del perno 
[mm] 
6 6 
Diámetro del disco 
[mm] 
37 37 
Carga axial [N] 1 100 
Velocidad de 
deslizamiento[m/s] 
0.1 
(500 
[RPM]) 
1.5 
(7800 
[RPM]) 
Temperatura [°C] ambiente 900 
Presión [mbar] 10-6 atmosférica 
 
El método que utilizan para medir desgaste difiere al establecido por la norma 
G132-96, el desgaste se obtiene por profilometría al finalizar la prueba, se 
fundamenta en mediciones de la zona desgastada con ayuda de microscopio 
electrónico. 
 
El tribómetro diseñado por los investigadores franceses supera 
tecnológicamente a los cinco tribómetros anteriores, el control abarca las condiciones 
ambientales como son presión y temperatura, no sólo condiciones mecánicas. Hay 
que destacar que los tres últimos tribómetros presentados son equipos que se 
diseñaron para los siguientes problemas: desgaste de cojinetes de molinos de caña, 
deslizamiento a altas velocidades con temperaturas criogénicas y reactividad de 
superficies frotadas en condiciones fisicoquímicas controladas. La solución implicó 
construir equipos pertinentes para tales circunstancias, contar con los dispositivos de 
medición más avanzados y lograr que la simulación sea cercana a la realidad. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 22
Capítulo 2 
 Tribómetros 
2.5 GENERALIDADES. 
 
En todos los tribómetros presentados anteriormente hay que resaltar que cinco 
operan con el sistema de desgaste de perno-disco y en un sólo caso se aplicó el 
sistema perno-tambor. Se mencionó al principio del capítulo que el sistema perno-
disco es comúnmente aplicado en laboratorios de tribología porque permite adaptar 
otros dispositivos con relativa facilidad (en función de la tecnología). 
 
Todos los tribómetros imponen condiciones mecánicas (velocidad de rotación 
y carga) en el contacto independientemente de la aplicación o el estudio. Los 
tribómetros cuentan con sistemas de carga que permitan variar la fuerza normal, en 
los equipos presentados sólo tres describen cual utilizan (tornillos de potencia, pesos 
muertos y brazos de palanca). El análisis de las ventajas y desventajas de estos y 
otros sistemas se presenta en el siguiente capítulo. 
 
La variación de la velocidad de giro se realiza por medios mecánicos y 
electrónicos. La caja de engranes del crio-tribómetro que realiza siete cambios de 
velocidades es un medio mecánico, los variadores de velocidad o convertidores de 
frecuencia son medios electrónicos. 
 
Los estudios de tribología incluyen generalmente análisis con microscopio, 
aunque no se mencionó en ninguno de los estudios presentados que después de 
realizar las pruebas correspondientes en los tribómetros, todos realizaron este tipo 
de análisis en las zonas desgastadas. El microscopio complementa las 
investigaciones tribológicas. 
 
Finalmente, hay que comentar que los verdaderos adelantos en tribología 
pueden atribuirse exclusivamente a la investigación científica moderna, los equipos 
mostrados demuestran que la tecnología ha permitido la construcción de tribómetros 
más sofisticados y con una mayor cantidad de parámetros controlados. 
 
 23
Capítulo 3 
 Diseño del tribómetro coaxial. 
______________________________________________________________________________________________________
 
 
3.1 DEFINICIÓN DE PROCESO DE DISEÑO. 
 
Existen diferentes formas o procesos de diseño, hay modelos con muchos 
pasos, otros con menos que involucran en un paso diferentes actividades, de 
acuerdo con Robert Norton [12] el proceso de diseño involucra diez etapas, que son 
las siguientes: 
 
1.- Identificación de la necesidad 
2.- Investigación preliminar 
3.- Planteamiento del objetivo 
4.- Especificaciones de desempeño 
5.- Generación de ideas e invención 
6.- Análisis 
7.- Selección 
8.- Diseño de detalle 
9.- Creación de prototipos y pruebas 
10.- Producción 
 
Este no es un proceso lineal, más bien es un proceso iterativo, en el cual se 
puede presentar que ya estando casi en el último paso, sea necesario regresar al 
inicio y replantear todo. 
 
En este capítulo se desarrollan a grandes rasgos, los primeros siete pasos, 
dejando para capítulos posteriores, los pasos número ocho y nueve. El paso número 
diez llamado producción, no se tratará en este trabajo, pues no se ha planteado la 
producción de tribómetros en pequeña o gran escala. Solamente se llega al punto de 
crear un prototipo, para realizarle pruebas y ver que mejoras se pueden realizar, o de 
ser necesario sugerir otros sistemas y configuraciones, que puedan mejorar el 
desempeño del equipo. 
 
Para realizar la etapa de producción, es necesario tener un prototipo final 
probado, de buena calidad, que cumpla con las especificaciones y que sea factible 
de llevar a cabo. Una vez que se tiene esteprototipo se deben analizar los sistemas 
de manufactura, para saber que equipo se requiere en la construcción del producto. 
 
Además de elaborar los dibujos de taller, y las rutas de trabajo necesarias. Sin 
olvidar la labor administrativa, como es la búsqueda de proveedores. Este último 
paso en si es todo un proceso, que requiere nuevamente del análisis y selección de 
diferentes opciones, así mismo se requiere iterar, teniendo una mejora continúa. 
 
 
 24
Capítulo 3 
Diseño del tribómetro coaxial. 
3.2 PROCESO DE DISEÑO. 
 
3.2.1 Identificación de la necesidad. 
 
La investigación continua de materiales que tengan mejores propiedades 
tribológicas, hace que surja la necesidad de un equipo que se adecue a las 
necesidades y especificaciones del investigador. 
 
3.2.2 Investigación preliminar. 
 
Es conveniente realizar una búsqueda de información de todo lo relacionado 
con el tema. Los resultados de esta búsqueda se reportan en los primeros dos 
capítulos del presente trabajo. 
 
3.2.3 Planteamiento de objetivos. 
 
Ahora que se sabe más del tema, se puede plantear el problema de una forma 
más clara. Como se comentó en el capitulo anterior, existen tribómetros comerciales 
que básicamente sirven para obtener el coeficiente de fricción y el de desgaste, por 
medio de diversas configuraciones. También ahora se sabe que es factible construir 
un tribómetro para un caso de estudio en específico. Por otro lado se tiene a los 
prototipos experimentales, que sirven para realizar pruebas bajo condiciones, antes 
no consideradas, tales como atmósfera controlada y variación de temperatura. 
 
Como se pudo ver, existen desde dispositivos simples, hasta aquellos que son 
muy complejos y permiten controlar un gran número de variables. Para iniciar el 
diseño del dispositivo es necesario plantear que es lo que debe de hacer, lo cual da 
una idea de a que punto se tiene que llegar. 
 
El objetivo del presente trabajo es diseñar un tribómetro prototipo, que 
únicamente sea capaz de obtener el coeficiente de fricción y que a través de equipos 
auxiliares se pueda medir el desgaste entre un par tribológico. 
 
3.2.4 Especificaciones de desempeño. 
 
Es necesario plantear cuales son las funciones que debe cumplir el dispositivo, es 
decir que debe de hacer. En este paso no se especificará como debe de ser el 
dispositivo, solamente se definirá lo que se espera de el. 
 
a) La configuración del dispositivo debe de ser de acuerdo al esquema que se 
muestra a continuación [13]. Básicamente lo que se puede observar es que se 
tienen dos muestras (1), que comprimen a un perno con extremos 
semiesféricos (2), mediante unas fuerzas de compresión (N), mientras que 
una fuerza tangencial (F) aplicada en el disco (4) hace girar al perno. Más 
adelante se realizará el análisis matemático que permite demostrar que 
midiendo la fuerza (N) y el par generado por la fuerza (F) es posible calcular la 
componente adhesiva del coeficiente de fricción (µA), tomando en cuenta 
 25
Capítulo 3 
Diseño del tribómetro coaxial. 
propiedades mecánicas del par tribológico en estudio, y dimensiones 
geométricas del perno penetrador. 
 
Figura 3.1 Configuración básica del equipo. 
 
b) El dispositivo debe de obtener datos estadísticos de diferentes muestras bajo 
diferentes condiciones. 
c) El dispositivo debe de contar con un sistema que permita aplicar una carga 
variable en un rango de 0 a 4000 [Newtons]. 
d) El dispositivo debe de contar con un sistema para que el perno penetrador gire 
axialmente, a una velocidad variable. 
e) Es necesario un sistema de medición que permita conocer la magnitud de la 
fuerza N. 
f) Es necesario un sistema de medición que permita conocer la magnitud del par 
generado por la fuerza F. 
g) Se requiere que el dispositivo cuente con un sistema para visualizar 
gráficamente las mediciones realizadas por los sistemas mencionados en los 
dos incisos anteriores. Además que sea capaz de calcular el coeficiente de 
fricción y que obten
 
 
ga la gráfica que se muestra en la figura 3.2. 
 
 
 
 
eficiente 
de fricción. 
l) Debe de poder ser operado por una sola persona. 
 
Co
 Tiempo [seg] 
 
Figura 3.2 Gráfica del coeficiente de fricción a través del tiempo [14]. 
 
En la gráfica mostrada se puede observar la variación del coeficiente de 
fricción a través del tiempo. 
h) Debe de ser un dispositivo limpio. 
i) Se debe considerar que será un equipo utilizado en laboratorio. 
j) De preferencia debe ser un diseño compacto. 
k) Es conveniente que sea de bajo peso. 
 26
Capítulo 3 
Diseño del tribómetro coaxial. 
3.2 G
equiere de mucha creatividad, para 
propon
ropuestas para la primera especificación. 
 configuración del equipo, lo que se 
podría
ropuestas para la segunda especificación. 
ísticos de diferentes muestras bajo 
dife
 Lo que se evalúa en tribología es un par tribológico, lo que implica que tanto el 
 
 Para caracterizar una propiedad de un material, como es en el caso del 
 
Ya que los bloques que se probarán tienen que sustituirse, no se puede 
propon
.5 eneración de ideas e invención. 
 
Esta etapa es complicada ya que r
er ideas que permitan cumplir cada una de las especificaciones planteadas en 
la etapa anterior. A continuación se reportan las soluciones encontradas para cada 
una de las especificaciones de desempeño. En la siguiente etapa se realizará un 
estudio mas detallado de estas ideas, para encontrar las ventajas y desventajas de 
cada una. 
 
P
 
n la primera especificación se tiene laE
 nombrar como un diseño conceptual, en realidad no se requirió que se 
diseñara cualquier tipo de tribómetro desde un inicio se especifico que se tenía que 
cumplir con esta configuración. 
 
P
 
El dispositivo debe de obtener datos estad
rentes condiciones, para esto se consideran dos planteamientos: 
 
•
perno penetrador, como los bloques, se puedan cambiar fácilmente, y así 
estudiar muestras de diferentes materiales. Para esto se planteará por 
separado los dos casos, primero se propondrán ideas de cómo lograr que los 
bloques se cambien fácilmente, y posteriormente se planteará como hacer que 
el perno se sustituya de igual forma. 
•
coeficiente de fricción, es necesario obtener numerosas mediciones, para que 
posteriormente se obtengan datos que estadísticamente sean confiables. Esto 
origina que se tengan diversas configuraciones, que se plantean a 
continuación. 
er un sistema de fijación permanente para estos. Existen dos posibilidades, 
una de ellas es que el bloque sea tan fácil de remplazar, que para realizar diferentes 
mediciones en bloques hechos de un mismo material, se tengan muchos de estos, y 
cada uno de ellos se ocupe para realizar únicamente una medición. Esto implicaría 
que sean fáciles de manufacturar, pues no seria conveniente hacer probetas muy 
complicadas que solo van a ser ocupadas en una ocasión. 
 
Figura 3.3 Una sola prueba por probeta. 
 27
Capítulo 3 
Diseño del tribómetro coaxial. 
La otra opción es pensar en un sistema que permita que con un bloque se 
puedan realizar diferentes mediciones, en diferentes puntos de este. Esto obligaría a 
pensar en que el bloque deba de poder desplazarse sobre un plano, o que el perno 
sea el que se desplace. 
 
Figura 3.4 Varias pruebas por probeta. 
 
Aún falta por definir la geometría del bloque, en los esquemas anteriores se 
han mostrado prismas con base cuadrada para ilustrar las ideas únicamente. Pero se 
pueden tener bloques de cualquier geometría posible, este parámetro está en función 
de la forma de sujeción de estas piezas. En la figura 3.5 se ilustran dos posibles 
formas de sujetar los bloques, para esto se considera en una opción prismas con 
base cuadrada y en otra prismas con base circular. 
 
 
Figura 3.5 Posibles porta-muestras. 
Por un lado se tiene la opción de realizar una ranura en forma de T, y un 
bloque de forma rectangularo cuadrada. Por otro lado se tiene una cavidad 
cilíndrica, con un bloque de igual forma. 
 
El perno es el complemento del par tribológico, esto implica que se pueda 
cambiar fácilmente a tra ctico. Una parte de la 
eometría de este está prácticamente definida pues se ha especificado, que se trata 
de un 
 
 3.6 b) se propone hacer pernos más pequeños, los cuales se 
podrían montar en un eje perforado, y sujetarse por medio de prisioneros, tornillos, 
o algú
 
vés de un sistema de sujeción prá
g
perno penetrador de puntas esféricas, lo que falta es dimensionarlo. La parte 
restante, esta en función del sistema de sujeción, en este punto se pueden tener 
varias soluciones. 
En la figura 3.6 se muestran seis ideas diferentes. En la figura 3.6, a) se 
propone hacer un eje en el cual se maquinan dos puntas semiesféricas, con lo que 
se tiene una sola pieza y para probar diferentes aleaciones se tendría que hacer una 
pieza idéntica a esta para cada una. 
 
En la figura
n pasador. Los pernos son pequeños y se requeriría un solo eje el cual seria 
un portapernos. Cambiar los pernos seria una labor muy fácil pues lo único que se 
 28
Capítulo 3 
Diseño del tribómetro coaxial. 
requiere es aflojar los prisioneros con una llave. El eje permanece siempre en su 
posición de trabajo. 
 
Figura 3.6 Posibles formas de sujetar el perno. 
 
En la figura 3.6 c) se plantea ocupar mecanismos denominados chuck o 
broqueros, estos se ocupan en los taladros para sujetar las brocas, por lo que son 
comerciales, y los hay de diferentes medidas. Cuentan con tres mordazas, que al 
girar una llave, se c
utomáticamente al perno. Tienen un rango de funcionamiento que comúnmente 
acepta
 boquilla en cada extremo, además de 
ue los extremos deben estar roscados externamente. Existen comercialmente 
divers
La última propuesta mostrada en la figura 3.6 f) sugiere hacer un perno 
roscad
ierran simultáneamente, o se abren de la misma forma, centrando 
a
 diámetros de 0 – 5/8 de pulgada. Los dos broqueros se acoplarían a un eje 
sólido y se cambiarían solamente los pernos. 
 
En la figura 3.6 d) se propone un sistema que es ocupado en algunas fresas 
verticales para sujetar los cortadores. Se ocupa una boquilla cónica con ranuras, que 
al apretar una tuerca, se cierra sujetando firmemente al perno. El eje tiene que tener 
un barreno con conicidad correspondiente a la
q
as boquillas de diferentes diámetros, ya sea en fracciones de pulgada o en 
milímetros. 
 
En la opción, mostrada en la figura 3.6 e), se propone algo similar a la 
anterior, pero se plantea hacer un perno más complejo, en el cual la boquilla y el 
perno son una sola pieza, la tuerca y el eje tienen la misma configuración. 
 
o, que se monte en un eje con rosca interior. 
 
 
 29
Capítulo 3 
Diseño del tribómetro coaxial. 
Propuestas para la tercera especificación. 
 
requiere un sistema para aplicar 
 fuerza N de la figura 3.1, que debe ser variable en un rango de 0 a 4000 Newtons. 
e tienen los siguientes casos: 
• Proponer o buscar sistemas de carga, que permitan aplicar una fuerza a cada 
• Buscar la forma de aplicar una sola fuerza, en una de las probetas, y esta sea 
 
Existen varias formas de aplicar fuerzas, y el requisito de desempeño 
pla a
pueda
 
• Mecánicos: mecanismos de diversas configuraciones. 
• 
 
ada Newton, o cada 10 
Ne
que
especi avés de algún sistema 
automático. Ni se ha mencionado si se debe incluir algún sistema de control, que 
permit
e una masa determinada, que son 
comerciales. Este mecanismo permite aplicar diferentes cargas, ya que las pesas 
, 20 o 25 
kilogramos. La configuración del equipo tiene que ser vertical, por las características 
del m
En la tercera especificación de desempeño se 
la
S
 
probeta. Para este caso se tiene la posibilidad de que las fuerzas sean 
iguales, o no. 
 
transmitida a través del eje. De esta forma se aplica la misma fuerza en las 
dos probetas. 
nte do en la etapa anterior, no restringe ninguna posibilidad que la imaginación 
 dar. Algunos sistemas son los siguientes: 
Hidráulicos: actuadores que aprovechen la potencia de algún fluido. 
• Neumáticos: actuadores que aprovechen la potencia de algún gas, 
comúnmente se usa aire. 
Por otro lado no se indica si la carga debe de variar c
wtons o cada cuanto. Tampoco se sabe si la configuración del equipo, permitirá 
 la carga se aplique de forma vertical, horizontal o inclinada. No se ha 
ficado si se debe aplicar manualmente, o a tr
a tener una carga constante o variable. 
 
Las propuestas que se muestran a continuación se evalúan más adelante. 
 
Lo que se muestra en la figura 3.7 es un mecanismo de barras articuladas, en 
el cual la fuerza se aplica con bloques d
propuestas se pueden conseguir generalmente de 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5, 10
ecanismo propuesto. La carga se aplica en una plataforma superior, y se 
transmite a través del eje. Esto ultimo obliga a que el eje se pueda desplazar 
libremente. Para poder aplicar la carga requerida de 4000 Newtons, que es 
aproximadamente igual a 400 Kg. se requieren 16 pesas de 25 kg., en el diagrama 
se ve que las pesas se apilan verticalmente en una sola columna, pero se podría 
proponer una plataforma más grande en la cual se coloquen por ejemplo cuatro 
columnas de cuatro pesas cada una. 
 
 30
Capítulo 3 
Diseño del tribómetro coaxial. 
 
Figura 3.7 Mecanismo de barras. 
 
Para reducir el número de pesas a ocupar, se pueden usar mecanismos de 
palanca que multiplican la carga aplicada dependiendo de la relación que se tenga, 
por ejemplo se puede log masa total de 40 Kg. se 
plique en los pernos una fuerza aproximadamente igual a los 4000 Newtons que 
son re
rar que colocando pesas con una 
a
queridos. En la figura 3.8 se muestra un sistema de carga, en la cual se aplica 
la fuerza N a través de un mecanismo de palanca, lo que determina el número de 
pesas necesarias es el brazo de palanca que se tenga. Es un sistema muy práctico 
pues es común ver básculas comerciales que para medir cargas elevadas ocupan 
pesas muy pequeñas. El sistema que se muestra obliga a que la configuración del 
equipo sea vertical y que la fuerza se pueda transmitir a lo largo del eje. 
 
 
Figura 3.8 Mecanismo de palanca. 
 
Lo que se muestra en la figura 3.9 es una variante del esquema anterior, en 
este caso la configuración del equipo es horizontal. Se propone un brazo en forma de 
L que permite que una horizontal. La cantidad 
áxima de pesas a ocupar esta definida por la relación que se tenga en el brazo de 
palanc
 fuerza vertical se transforme en 
m
a. La fuerza se debe de transmitir a lo largo del eje, presionando las dos 
probetas simultáneamente. Como se puede observar al ocupar pesas, se tiene la 
limitante de que solo aplican fuerzas verticales, sin embargo la configuración final del 
equipo puede ser horizontal o vertical. 
 
 31
Capítulo 3 
Diseño del tribómetro coaxial. 
 
Figura 3.9 Mecanismo de palanca. 
 
En la figura 3.10 se muestra la última de las propuestas que se caracterizan 
por ocupar pesas. En e mo de barras, que es 
onocido como mecanismo de palanca, al aplicar una componente vertical pequeña 
se p
ste caso se propone un mecanis
c
uede obtener una componente horizontal grande, la constante de 
proporcionalidad esta en función de la inclinación de las barras, y en teoría puede ser 
tan grande como se desee. 
 
 
Figura 3.10 Mecanismo de barras. 
 
Haciendo a un lado la idea de usar la fuerza de la gravedad para aplicar una 
carga, se tienen que busc valuarán detenidamente 
ada una de las ideas, pero se puede imaginar que aplicar una fuerza manipulando 
manua
 de una palanca o volante, cerrando o 
briendo las barras, generando un desplazamiento que permite presionar el bloque 
contra
ar otros medios. Más adelante se e
c
lmente bloques de metal de diferentes pesos, resultaría incomodo ya que en 
algunos casos se ha propuesto ocupar pesas de 25 Kg. Actualmente la tendencia es 
que todo seaautomático, o que con un esfuerzo mínimo por parte del usuario, se 
pueda operar fácilmente cualquier máquina. 
 
El mecanismo de barras que se muestra en la figura 3.11 cuenta con un 
tornillo, que se puede hacer girar por medio
a
 el perno, y así aplicar una fuerza, o en el caso contrario permite separar el 
bloque del perno. El mecanismo requiere de ocho barras y un tornillo, que 
comúnmente se manufactura con rosca cuadrada o acme, lo que hace que 
generalmente se le llame tornillo de potencia. 
 
 32
Capítulo 3 
Diseño del tribómetro coaxial. 
Este mecanismo es muy común en los gatos usados para levantar 
automóviles, por lo que son fáciles de encontrar en el mercado. En el esquema se 
propone diseñar y manufacturar el mecanismo en su totalidad, sin embargo se puede 
analiza
exible, pues se quita una restricción. Además de que diseñando el sistema 
correc
r la posibilidad de adaptar un gato comercial al equipo que cumpla con el 
requisito de la carga máxima. Además de ser un equipo compacto, lo que facilitaría el 
montaje en el ensamble final del equipo, y no requiere de un mantenimiento especial. 
 
Al no depender de la fuerza de la gravedad, el sistema de carga se puede 
colocar en cualquier posición, logrando que la configuración final del equipo sea más 
fl
tamente, se puede lograr que sea tan ligero como se desee, y que el par 
requerido para aplicar una carga determinada sea muy pequeño. 
 
Figura 3.11 Mecanismo de tornillo de potencia. 
 
Es común aplicar cargas por medio de tornillos de potencia, estos se pueden 
colocar de diversa ellas. Se propone 
colocar un tornillo, en la dirección axial del eje, que va acompañado de una tuerca 
que re
e aplique en las dos probetas. Para que el sistema funcione correctamente 
se tendrá que calcular el diámetro correcto del vástago, así como diversas 
caract
, por medio de servomotores, para esto se requeriría 
que el tornillo y la tuerca sean de bolas para evitar que tengan juego. En caso de que 
la carg
s formas, en la figura 3.12 se muestra una de 
quiere estar fija, para que al girar el tornillo este se desplace y presione la 
probeta. 
 
Nuevamente se requiere que la fuerza se pueda transmitir a lo largo del eje y 
la carga s
erísticas tales como paso y tipo de rosca, que definirán el par que se requiere 
para aplicar la carga máxima. 
 
Este tipo de configuración se puede sofisticar al grado de aplicar cargas 
variables de manera controlada
a se aplique manualmente, es necesario que el tornillo sea autobloqueante, 
pues si se afloja la carga disminuirá inmediatamente. 
 33
Capítulo 3 
Diseño del tribómetro coaxial. 
 
Figura 3.12 Mecanismo de tornillo de potencia. 
 
Los sistema son confiables, 
demás son tan comunes, que se puede encontrar fácilmente un equipo que se 
adecu
s neumáticos e hidráulicos en la actualidad
a
e a las necesidades tanto de tamaño, como de capacidad. En la figura 3.13 se 
muestra un cilindro que aplica la carga al perno. El cilindro puede ser neumático o 
hidráulico, y en ambos casos puede estar accionado por una bomba manual o 
automática. La configuración del equipo puede ser horizontal o vertical 
indistintamente. 
 
Figura 3.13 Sistema neumático o hidráulico. 
 
Hasta ahora solo se han mostrado bocetos de ideas, en los cuales se propone 
tener un sistema de carga que aplique la fuerza en una sola probeta, y que la fuerza 
se pue
cual a 
ada una de las probetas se le aplique una fuerza independiente ocupando los 
mismos sistemas antes planteados. 
da transmitir a lo largo del eje presionando a la otra probeta. En la siguiente 
figura se muestran las mismas configuraciones con la diferencia de que ahora se 
proponen dos sistemas de carga, de tal forma que cada uno aplique una fuerza 
independiente a cada probeta, permitiendo que el eje pueda permanecer fijo. 
 
En la figura 3.14 se muestran algunas ideas para tener un equipo en el 
c
 34
Capítulo 3 
Diseño del tribómetro coaxial. 
 
Figura 3.14 Propuestas con dos sistemas de carga. 
 
De acuerdo a las propuestas que surgieron para cumplir con la tercera 
especificación de njunto de ellas 
se ocupa un solo sistema de carga y en otro se ocupan dos. En las propuestas 
donde
s 
probetas se encuentran separadas de los pernos. Al aplicar la carga N la probeta 
superi
En la primera posición no se ha aplicado ninguna de las dos cargas, por lo 
que las probetas se encuentran a cierta distancia de los pernos. En el paso dos una 
vez que se aplican las dos fuerzas, las probetas hacen contacto con los pernos, y el 
 desempeño, se tienen dos posibilidades. En un co
 se ocupa un solo sistema se necesita que el eje transmita la fuerza aplicada, 
por lo tanto se requiere que el eje se pueda desplazar en ambos sentidos axialmente. 
Por otro lado ocupando dos sistemas se aplica una fuerza independiente a cada 
probeta y ambas comprimen al eje, por lo que no es necesario que este se mueva. 
 
En la primera secuencia que se muestra en la figura 3.15, se ocupa un solo 
sistema de carga. En la primera posición no se ha aplicado carga, por lo que la
or hace contacto con su respectivo perno, y es necesario que el eje 
portapernos se desplace en el sentido indicado. En el paso tres el eje comienza a 
girar, y tiene que poder desplazarse en el mismo sentido. Una vez que la prueba 
termina se retira la carga N, y la probeta superior regresa a su posición original, así 
mismo el eje se debe de desplazar como se indica para que llegue a la posición 
inicial. 
 
En la segunda secuencia de la misma figura se ocupan dos sistemas de 
carga. 
 35
Capítulo 3 
Diseño del tribómetro coaxial. 
eje comienza a girar. En este caso el eje no debe de desplazarse. En el último paso 
se retiran las fuerzas y las probetas regresan a su posición original. 
 
Concluyendo lo anterior para el primer caso se tiene que diseñar un sistema 
que permita que el eje gire y que a la vez no impida que este se desplace. Y para el 
segundo caso se requiere que el eje gire y que no se desplace. 
 
 
Figura 3.15 Diferencia entre un sistema y dos sistemas de carga. 
 
Para el segundo caso basta con diseñar un soporte fijo sobre el cual el eje 
pueda girar libremente. Y en el otro caso se debe diseñar un soporte que se pueda 
desplazar
 
 tornillería, o diseñar una base fundida con el soporte incluido. La forma 
de este no es de relevancia, y esta se puede definir en función de la configuración 
del eq
. 
Diseñar un soporte fijo, puede ser muy fácil e inclusive puede depender más 
de cuestiones estéticas, que de funcionalidad. Se puede fijar a una base mediante 
soldadura o
uipo y del tamaño final de este. 
 
Figura 3.16 Soporte fijo. 
 
 36
Capítulo 3 
Diseño del tribómetro coaxial. 
Para diseñar un soporte que se desplace, se tienen tres opciones, la primera 
de ellas se muestra en la figura 3.17. Se propone ocupar una corredera lineal, estos 
sistemas son comerciales en la actualidad y se encuentran con dimensiones 
estándar. Tienen integrados cojinetes de bolas lineales que deslizan sobre guías de 
acero endurecido con una muy baja fricción. Y cuentan con orificios de montaje para 
fijar el riel o guía a una mesa o bancada y en los carros para fijar los equipos que van 
a ser desplazados. 
 
Figura 3.17 Corredera lineal. 
 
Otra alternativa es diseñar un soporte ocupando rodamientos lineales, estos 
se encuentran fácilmente en el mercado, son piezas estándares que sólo requieren 
ser seleccionadas correctamente. Además de diseñar el soporte, se requiere diseñar 
unos rieles o guías. Lo que se propone es diseñar una corredera lineal, en la que los 
rodamientos formarían parte del carro que se desplaza sobre rieles. La ventaja es 
que el costo disminuye y por otro lado se puede diseñar todo con la configuración y 
dimensiones que se requiera
 
 
n. 
En la figura 3.18 se muestran dos tipos de rodamientos lineales, el 
funcionamiento es el mismo, la diferencia está en que el de la derecha incluye un 
soporte que