Ciencias técnicas aplicadas   

Artículo de investigación

 

Planificación del mantenimiento mediante la determinación del número prioritario de riesgo, y el análisis de modos y efectos de fallos a los sistemas de suspensión de vehículos livianos

 

Maintenance planning by determining the priority number of risks, and the analysis of modes and effects of failures to the suspension systems of light vehicles

 

Planejamento de manutenção determinando o número de prioridade de risco, e a análise dos modos e efeitos de falhas nos sistemas de suspensão de veículos leves

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: pcriollo@tecnoecuatoriano.edu.ec

 

 

*Recibido: 20 de julio de 2021 *Aceptado: 19 de agosto de 2021 * Publicado: 15 de agosto de 2021

 

 

        I.            Magister en Educación Mención Gestión del Aprendizaje, Mediado por Tic, Docente Investigador, Instituto Superior Tecnológico, Ecuador.

     II.            Magister en Diseño Mecánico, Docente Investigador, Coordinador de Carrera de Mecánica Y Electromecánica Automotriz, Instituto Superior Tecnológico Tecnoecuatoriano, Ecuador.

  III.            Participante Investigador, Estudiante Tecnología Superior en Mecánica Automotriz, Instituto Superior Tecnológico Tecnoecuatoriano, Ecuador.

  IV.            Participante Investigador, Estudiante Tecnología Superior en Mecánica Automotriz, Instituto Superior Tecnológico Tecnoecuatoriano, Ecuador.

 

 

 

 

Resumen

Un análisis de modos y efectos de falla es a menudo el primer paso de un estudio de confiabilidad del sistema. El objetivo de este trabajo fue caracterizar las características principales en el desempeño del sistema de suspensión pasivo y sus componentes, además revisarle los parámetros de la metodología AMFE y relacionarse a los mantenimientos para de forma efectiva poder aplicarlo en un futuro. Las herramientas que presenta el AMFE son adecuadas de forma sistemática y lógica de acuerdo con el análisis del sistema de suspensión ya que cada componente tiene su función precisa y mostrara una predicción de su operación para un futuro mantenimiento. La determinación del número prioritario de riesgo, y el análisis de modos y efectos de fallos a los sistemas sistema de suspensión estos dados por el nivel de severidad de la falla si esta ocurriera, la probabilidad de que este modo de falla ocurra, la probabilidad de no ser detectado depende del componente automotriz en el sistema de suspensión evaluado para precisar el tipo de mantenimiento a planificar.

Palabras clave: Vehículo; Fallos; Predicción de fallos; sistema de suspensión; AMFE.

 

Abstract

A failure modes and effects analysis is often the first step in a system reliability study. The objective of this work was to characterize the main characteristics in the performance of the passive suspension system and its components, in addition to reviewing the parameters of the AMFE methodology and relating to maintenance to effectively apply it in the future. The tools presented by the AMFE are adequate in a systematic and logical way according to the analysis of the suspension system since each component has its precise function and will show a prediction of its operation for future maintenance. The determination of the priority number of risks, and the analysis of failure modes and effects to the suspension system systems are given by the severity level of the failure if it occurs, the probability that this failure mode will occur, the probability of not being detected depends on the automotive component in the suspension system evaluated to specify the type of maintenance to be planned.

Keywords: Vehicle; Faults; Fault prediction; suspension system; AMFE.

 

 

Resumo

Uma análise de efeitos e modos de falha geralmente é a primeira etapa em um estudo de confiabilidade do sistema. O objetivo deste trabalho foi caracterizar as principais características no desempenho do sistema de suspensão passiva e seus componentes, além de revisar os parâmetros da metodologia AMFE e relativos à manutenção, a fim de aplicá-la efetivamente no futuro. As ferramentas apresentadas pelo AMFE são adequadas de forma sistemática e lógica de acordo com a análise do sistema de suspensão, pois cada componente tem sua função precisa e apresentará uma previsão do seu funcionamento para futuras manutenções. A determinação do número de prioridade do risco e a análise dos modos de falha e efeitos para os sistemas de suspensão são dados pelo nível de gravidade da falha se ocorrer, a probabilidade de que esse modo de falha ocorra, a probabilidade de não ser detectado depende do componente automotivo do sistema de suspensão avaliado para especificar o tipo de manutenção a ser planejada.

Palavras-chave: Vehicle; Falhas; Previsão de falha; sistema de suspensão; FMEA.

 

Introducción

El mundo del automóvil y las tecnologías avanzan a un ritmo vertiginoso. Se están invirtiendo muchos recursos en la evolución de las tecnologías que tienen en cuenta la seguridad, la conducción y la comodidad de los pasajeros (Kokane & Bagavathi Sivakumar, 2019). Por otro lado, los sistemas de suspensión, además de abordar la calidad del viaje, abordarían otros requisitos asociados, como seguridad en tránsito, facilidad de carga / descarga, tiempo de tránsito reducido, manejo reducido, etc. Los requisitos específicos para la inspección, el mantenimiento, la reparación y los costos del ciclo de vida de los sistemas (Singh et al., 1994). Por un lado, aísla el chasis de las irregularidades del terreno, reduciendo así la fuerza trasmitida al conductor. Por otro lado, regula el movimiento vertical de la rueda y asegura el contacto entre el neumático y el terreno para mantener la maniobrabilidad de la dirección y evitar daños al vehículo o al camino. La suspensión pasiva requiere un compromiso para satisfacer estas características, pues el confort requiere una suspensión suave mientras una buena maniobrabilidad la proporciona una rigidez intermedia (Ezeta et al., 2013).

Uno de los diseños más comunes hoy en día es la suspensión delantera McPherson, fue descrita por primera vez en una patente de Fiat en 1926, diseñada a finales de los años cuarenta y aplicado en 1948 por Ford en los modelos Anglia y Consul (Sandu et al., 2011). Existe varios componentes que aportan de varias formas a la operación del sistema, se utilizan los amortiguadores en un 100% en el ramo automotriz donde la función principal es absorber las reacciones producidas en las ruedas al pasar sobre las irregularidades del terreno evitando que se transmitan a la carrocería, asegurando de esta forma la estabilidad del automóvil, la comodidad del conductor y la direccionalidad del automóvil (Vega et al., 2018). Estos dispositivos se dividen en dos tipos: amortiguadores pasivos y activos. La evolución de los amortiguadores desde el inicio del diseño de estos componentes hasta la actualidad se busca aprovechar la energía provoca por las oscilaciones de su trabajo normal en su viaje y así aportar en la operación de nuestro vehículo en la actualidad (Nandish et al., 2019). Además, Berote et al. (2015) indica que, con el fin de que sea seguro y confortable como un coche convencional, debe ser alto y cerrado, pero debido a que por naturaleza una estructura alta y angosta tiende al vuelco o derrape, es necesario inclinarlo hacia el interior de la curva, esto con la finalidad de compensar el momento generado por la fuerza lateral (Maldonado-Páez et al., 2020). Además, el diseño de esta implica satisfacer los dos criterios en conflicto de comodidad de conducción y manejo del vehículo con la restricción en el recorrido de la suspensión (Kumar et al., 2021). Es necesario considerar todos los componentes de la suspensión con el fin de diferenciar sus posibles fallos en el sistema en el viaje, para esto se plante el modelo de la figura 1, el sistema de suspensión está constituido por varias partes como brazo de control, muñón de dirección, rótulas, resortes, amortiguadores (amortiguadores), brazo de control y buje. Estas piezas se utilizan de diversas formas para formar diferentes tipos de suspensiones.

Para estructuras mecánicas bajo duras condiciones operativas, un método de monitoreo estructural es una herramienta prometedora para reducir los riesgos y los costos de mantenimiento. Con el rápido desarrollo de técnicas avanzadas de detección y análisis de datos, se ha realizado un esfuerzo de investigación masivo para monitorear el estado estructural a partir de señales de vibración en  los sistemas de suspensión (H. Luo et al., 2018). También se diseña un sistema a prueba de fallas basado en RFID en el ensamblaje de amortiguadores de automóviles (Qian, 2019). Por último se revisa la metodología que se aplicará el AMFE debido a las características del problema en relación a fallas del sistema, donde los beneficios generales del uso de esta metodología son minimizar el costo de mantenimiento, reduce el consumo de tiempo para corregir fallas, acentúa la prevención del problema, mejora la calidad y confiabilidad del vehículo (Izaguirre Neira & Párraga Velásquez, 2017). En este artículo se analiza el sistema de suspensión desde su estructura para el análisis de fallo aplicando la metodología AMFE y los diferentes sistemas de mantenimiento que se aplican en la actualidad a través de la norma internacional.

 

Figura 1: Modelo de suspensión de un cuarto de vehículo (Adaptada de Lozia y Zdanowicz, 2016; Sandu et al., 2011)

 

Metodología AMFE

Según Méndez (2008), un paso crucial para que el sistema o producto sea confiable sería hacer preguntas en la fase de desarrollo como: ¿Qué podría fallar con esta pieza? ¿Qué tan probable es que falle este componente? ¿Qué tan severo sería el fallo de esta pieza para el cliente? El análisis de efectos y modos de falla es una de las técnicas más ampliamente utilizadas para enumerar los posibles modos mediante los cuales los componentes puedan fallar (Izaguirre Neira & Párraga Velásquez, 2017)

En la actualidad, esta metodología determina los modos de falla de los componentes de un sistema, el impacto y frecuencia con que se presentan, este es un método sistemático para detectar y corregir defectos del sistema antes de que falle. El modo de fallo significa que un componente no satisface o no funciona a la especificación o no se obtiene lo que se espera de él. Por tanto, es una desviación de una función o especificación (Peña, 2020). El efecto de fallo está relacionado con los efectos del modo de fallo y ligado al procedimiento AMFE, las fallas son priorizadas de acuerdo con qué tan serias son sus consecuencias, qué tan frecuentes ocurren y qué tan fácilmente pueden ser detectadas. Por cada modo de falla el AMFE usa: La severidad de la falla si esta ocurriera, ejemplo: impacto en el siguiente proceso, indicio de falla, etc.; La probabilidad de que este modo de falla ocurra; La medición en sitio para detectar cualquier falla antes que hubiera un impacto, ejemplo: impactó en el siguiente proceso, o falla. En la figura 2 se muestra las valoraciones AMFE de la puntuación necesaria en los campos de severidad, ocurrencia y detección. Además, la tabla 1 se aprecia el formato en el cual se debe obtendrá un documento de fácil seguimiento y revisión adaptado a las condiciones de mantenimiento de nuestro sistema de suspensión.

 

Figura 2: Cuadro de valoraciones AMFE (Bosch Group, 2013)

 

Tabla 1: Diagrama de trabajo AMFE para mantenimiento

SISTEMA DE SUSPENSIÓN
COMPONENTE	FUNCIÓN ESPECÍFICA DEL COMPONENTE	FALLO	CAUSA DE FALLO	EFECTO DE FALLO	VALORACIÓN				RECOMENDACIÓN	Tipo De Mantenimiento
					F	G	D	NPR

 

 

Tipos de mantenimientos

Figura 3: Tipos de mantenimiento programado vs. No programado (Sexto, 2017; Peña, 2020)

 

Un plan de mantenimiento adecuado debe posibilitar la consecución de estos objetivos garantizando la disponibilidad de los vehículos, disminuyendo las averías imprevistas, aumentando la fiabilidad, permitiendo la optimización de los recursos y en definitiva reduciendo los costes y contribuyendo a la eficiencia global de la empresa sin descuidar el importante aspecto de la conservación del medio ambiente. Los mantenimientos surgen a partir de la creación de máquinas, equipos, sistemas o instalaciones que requieran ser tratadas por profesionales para mejorar su rendimiento y alargar la vida de los equipos o sistemas (Guasumba-Maila et al., 2021), en la figura 3 se aprecia la clasificación de mantenimientos según la norma europea EN 13306: 2017.

 

AMFE aplicado al sistema de suspensión automotriz

El sistema de suspensión defectuoso no puede proporcionar aislamiento de las irregularidades del suelo y producirá vibraciones. Como se mencionó las frecuencias afectan el comportamiento del sistema. Solo si se produce una falla importante en las suspensiones, el usuario notará anomalías en la conducción, la comodidad y la facilidad. El sistema de dirección también se verá afectada por una mala suspensión. Como cada parte de la suspensión crea diferentes problemas en caso de falla, algunas fallas pueden volverse graves durante el período de inatención o se producen fallas en varias partes. La Tabla 2 muestra algunos tipos de falla de suspensión (Kokane & Bagavathi Sivakumar, 2019).

El componente del sistema de suspensión pivota sobre un buje de goma que se comprime entre un manguito metálico interior y exterior (Duffy, 2014). Cuando se realinea el sistema de dirección de un vehículo, el buje comienza a separarse de sus manguitos de metal a medida que la goma comienza a torcerse dentro del manguito, se desarrolla un exceso de espacio en el sistema de suspensión que a su vez causa cambios en la dirección y la geometría de la suspensión (Modak et al., 2008)

 

Tabla 2: Fallos primarios de suspensión y motivos asociados a ellos (Kokane & Bagavathi Sivakumar, 2019)

 

La detección temprana de fallas en el sistema de suspensión y su clasificación no solo reduce el costo de mantenimiento, sino que agrega comodidad y seguridad. Se han discutido enfoques para detectar fallas en la suspensión (Kokane & Bagavathi Sivakumar, 2019). La  suspensión  tiene  como función   mantener   en   todo   momento   la   llanta pegada  al  terreno,  aislar  las  perturbaciones  del camino,  soportar  el  peso  estático  del  vehículo  y brindarle    al    conductor    unas    condiciones    de maniobrabilidad  buenas  al  momento  de  acelerar, frenar y girar (Navarro Torrado et al., 2018), todo esto influye en el desgaste del sistema y hay que detenerse para el  análisis de los componentes, aquí la metodología AMFE aporta de manera sistemática a dar seguimiento a los fallos para un adecuado tratamiento del sistema y alargar la vida útil del mismo, en base al mantenimiento.

El sistema de suspensión demuestra ser más eficiente que otro tipo de sistemas de suspensión, absorbe más golpes con alta precisión, funcione de manera eficiente con un menor costo de mantenimiento (Nandish et al., 2019). Es importante prever los cambios necesarios y potenciales fallas en el sistema derivados de la operación, para lograr esto se aborda la metodología AMFE donde los criterios de severidad, probabilidad de ocurrencia, probabilidad de no ser detectado se aplican para identificar el grado de complejidad del fallo y ubicarse en la escala correcta de la ponderación de riesgo del AMFE para nuestro sistema de suspensión. Esto deriva como se muestra en la tabla 3 a una serie de actividades sugeridas, las cuales muestran el tipo de prioridad y el tipo de mantenimiento a realizar y esto aportara para planificar de acuerdo con el componente.

Por ejemplo, el amortiguador, es un dispositivo que absorbe energía, utilizado normalmente para disminuir las oscilaciones no deseadas de un movimiento periódico o para absorber energía proveniente de golpes o impactos. Se menciona el fallo como el muelle constante, que aumenta cuando se pasa un tope de control de velocidad, su causa de fallo: los amortiguadores no oponen resistencia al movimiento del resorte; y a causa de       esto, el    muelleo es excesivo, pronunciado y constante, el efecto de fallo: es el manejo inadecuado y peligroso, daño en            los demás componentes de la suspensión. En base a la ponderación de la metodología AMFE donde los criterios de severidad, probabilidad de ocurrencia, probabilidad de no ser detectado muestran un valor de 45, pues se propone la recomendación que para este caso es cambiar los amortiguadores, ya que para que esta falla se produzca deben estar prácticamente inservibles. Esto sugiere un tipo de mantenimiento denominado Mantenimiento Correctivo; Correctivo Inmediato según la norma EN 13306: 2017, todo esto aporta a un seguimiento adecuado y reducción de costos por mantenimiento en nuestros vehículos.

 

 

Tabla 3: Aplicación del AMFE en los parámetros del sistema de suspensión de acuerdo con el mantenimiento

 

Conclusiones y recomendaciones

En este artículo presentamos las aplicación y análisis del sistema de suspensión, además se ha desarrollado un sistema donde se pueda determinar cuáles son los elementos que tienen mayor problemática en el sistema de suspensión y además interpretar cuales serían los elementos más propensos al daño que se podrían suceder en un vehículo, así como darle la sugerencia de tratamiento y mantenimiento a cada caso.

Las mejoras propuestas apuntan a una reducción de fallos del sistema de suspensión; teniendo como consecuencia ahorro de costos de mantenimiento. Estos costos de atención dependen principalmente de la complejidad en la solución del fallo. Debido a que se tiene un estado inicial del componente y el tipo de fallo, de acuerdo con el diseño de la metodología AMFE.

La determinación del número prioritario de riesgo, y el análisis de modos y efectos de fallos a los sistemas de suspensión estos dados por el nivel de severidad de la falla si esta ocurriera, la probabilidad de que este modo de falla ocurra, la probabilidad de no ser detectado depende del componente automotriz evaluado para precisar el tipo de mantenimiento a planificar esto como medio de aporte al seguimiento de la vida útil del vehículo.

 

 

 

Referencias

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