Propuesta de un método estadístico para el análisis de vibraciones en automóviles

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA

MECÁNICA Y ELÉCTRICA

PROPUESTA DE UN MÉTODO ESTADÍSTICO PARA EL

ANÁLISIS DE VIBRACIONES EN AUTOMÓVILES

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN

COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

PRESENTA

JESÚS NICOLÁS ROMERO VALENCIA

ASESORES

ING. PATRICIA LORENA RAMÍREZ RANGEL

ÍNDICE

Introducción.

Capítulo I Estado del Arte……….1

1.1 Vibraciones………..……….1

1.2 Importancia de la reducción o atenuación de las vibraciones………..1

1.3 Importancia de la medición de vibraciones………..2

1.4 Análisis de Vibraciones………...2

1.5 Evolución del estudio de vibraciones………3

1.6 Panorama actual del estudio de vibraciones en automóviles………...3

Capítulo II Fundamentos de Vibraciones………...5

2.1 Características de la vibraciones………...6

2.2 Elementos de Inercia………..………..………10

2.3 Elementos de rigidez……….13

2.3.1 Resortes Lineales………..14

2.3.2 Resortes No Lineales……….15

2.4 Elementos de Disipación………..……17

Capítulo III Principales factores que intervienen en las vibraciones de un automóvil………….20

3.1El motor………20

3.1.1 Clasificación y características del motor………....21

3.1.2 Partes principales de un motor y sus características………...25

3.1.3 Equilibrado del motor……….26

3.2 Neumáticos (ruedas)……….27

3.2.2 Componentes de una cubierta……….30

3.2.3 Factores que influyen en el rendimiento de un neumático………..32

3.3 Sistema de frenos………..…33

3.3.1 Elementos básicos del sistema de frenos………..35

3.4 Sistema de dirección……….…36

3.4.1 Geometría del eje delantero……….…37

3.4.2 Estructura de la dirección………..38

3.5 Sistema de Suspensión………39

3.5.1 Componentes del Sistema de Suspensión……….42

Capítulo IV Aplicación del método de análisis………..……….….46

4.1 Medidor de Vibraciones (Vibrómetro Time Group Inc TV260)………..…………47

4.2 Automóviles (Objeto de Estudio)……….49

4.2.1 IBIZA 2.0L………....49

4.3 Mediciones por efectos del motor (Buenas Condiciones)………...…51

4.4 Mediciones por efectos del motor (Malas Condiciones)………..…56

4.5 Mediciones en recorrido de prueba (Buenas Condiciones)………...….58

4.6 Mediciones en recorrido de prueba (Neumáticos Mal Estado)……...………..….60

4.7 Mediciones en recorrido de prueba (Frenos Mal Estado)………..….61

4.8 Mediciones en recorrido de prueba (Dirección Mal Estado)………..….63

4.9 Mediciones en recorrido de prueba (Suspensión Mal Estado)……….……..65

4.10 Comparativa y Resultados……….……66

4.11 Repercusiones Económicas………..………71

4.12 Repercusiones Ambientales………..………74

4.13 Repercusiones Sociales……….75

INTRODUCCIÓN

En éste trabajo se realiza la propuesta de un método estadístico a fin de permitir comprender de un modo más simple como se presenta el fenómeno de las vibraciones en los automóviles, permitiendo así generar posibles soluciones y como las vibraciones pueden afectar al automóvil mismo.

De modo tal que para dar un seguimiento simple y explicación clara de lo que se pretende; se ha distribuido el contenido del trabajo de la siguiente manera:

- Capítulo I Estado del Arte

- Capítulo II Fundamentos de Vibraciones

- Capítulo III Principales factores que intervienen en las vibraciones de un automóvil - Capítulo IV Aplicación del método de análisis

En el Capítulo I se ofrece una panorámica actual y evolutiva en el tema de las vibraciones automotrices que permiten situarnos bajo contexto. En el Capítulo II se presentan todos aquellos fundamentos que rigen el fenómeno de las vibraciones dando formalismo fundamentado en bases matemáticas. En el Capítulo III se presentan todos aquellos sistemas del automóvil que intervienen en la generación de vibraciones, la función que desempeña cada sistema en su conjunto a fin de dar sentido y comprensión al fenómeno que se presenta mientras el automóvil se encuentra operando. En el Capítulo IV se presenta la aplicación del método valiéndose de un vibrómetro que permite monitorear los niveles vibratorios en la cabina del automóvil; en éste capítulo por medio de muestras y el desarrollo de gráficos de comportamiento, vamos a identificar bajo qué condiciones se generan mayores o menores niveles vibratorios y como afectan las estructuras del automóvil.

Objetivo:

Proponer un método estadístico que permita analizar y evaluar los niveles vibratorios que se producen en un automóvil y los principales factores que lo generan; así como sus efectos en el mismo

Justificación:

En la actualidad y pese a los avances científicos y tecnológicos ha sido imposible en la industria automotriz aislar por completo los niveles vibratorios producidos por el motor del automóvil; así como otros factores que los producen, generando daños importantes en muchas estructuras del vehículo. Además cuando alguno de los elementos del motor sale de su rango normal de funcionamiento, provoca inestabilidad en el mismo aumentando considerablemente los niveles de vibración, contribuyendo también a la elevación de los índices de contaminación en el medio ambiente; por otro lado las agencias de vehículos no cuentan con métodos estadísticos que permitan evaluar los niveles de vibraciones que se desarrollan en los automóviles, conociendo cada una de estas problemáticas, resulta de suma importancia realizar dichos estudios con la finalidad de prolongar la duración del vehículo, lo que se traduce en ahorro económico para el propietario, así como mejorar la calidad del aire. El estudió se centra en automóviles de la marca SEAT modelo IBIZA 2008 – 2013 reference 2.0L que pertenecen a la cuarta generación de la marca, esto debido a que en el centro de trabajo donde otorgaron el permiso para realizar las mediciones; tienen mayor presencia.

Problemática:

CAPÍTULO I

ESTADO DEL ARTE.

1.1 VIBRACIONES.

Se dice que un cuerpo vibra cuando experimenta cambios alternativos, de tal modo que sus puntos oscilen sincrónicamente en torno a sus posiciones de equilibrio, sin que el campo cambie de lugar.

Se puede decir que es un intercambio de energía cinética en cuerpos con rigidez y masa finitas, el cual surge de una entrada de energía dependiente del tiempo.

Este intercambio de energía puede ser producido por:

 Desequilibrio en máquinas rotatorias.  Entrada de energía acústica.

 Circulación de fluidos o masas  Energía electromagnética.

Fig. 1.1 Vibraciones

1.2 IMPORTANCIA DE LA REDUCCIÓN O ATENUACIÓN DE LAS VIBRACIONES.

Cualquiera que sea la causa de la vibración, su reducción o atenuación es necesaria debido a razones entre las cuales se tienen.

 La vibración es responsable de la pobre calidad de los productos elaborados por máquinas-herramientas.

 La vibración puede alcanzar a otros instrumentos de precisión de otras fuentes y causar fallas de funcionamiento.

1.3 IMPORTANCIA DE LA MEDICIÓN DE VIBRACIONES.

La medición de la vibración, juega un papel muy importante en el desarrollo de técnicas para mitigarla o reducirla y en el establecimiento de límites en los niveles de ruido de la maquinaria existente en cualquier aplicación industrial. Aproximadamente el 50% de las averías en maquinarias rotativas se deben a desalineaciones en los ejes. Las máquinas mal alineadas generan cargas y vibraciones adicionales, causando daños prematuros en rodamientos, obturaciones y acoplamientos, también aumenta el consumo de energía. Gracias a los avances de la electrónica, actualmente se tienen instrumentos de medición altamente sofisticados que permiten cuantificar la vibración de manera precisa, a través de diversos principios.

Fig. 1.2 Instrumentos de medición (Vibrómetros).

1.4 ANÁLISIS DE VIBRACIONES.

metodologías ampliamente usadas en el mantenimiento de maquinaria. De tal manera que su estudio se ha convertido en algo esencial, ya que permite: comprender, analizar y proponer soluciones sobre diversas problemáticas relacionadas con procesos industriales.

1.5 EVOLUCIÓN DEL ESTUDIO DE LAS VIBRACIONES.

Importantes aportaciones matemáticas ampliaron considerablemente el área de investigación del campo de las vibraciones mecánicas. Por mencionar algunos, los métodos de Rayleigh que sirven para determinar las frecuencias de resonancia de algunos elementos basándose en ecuaciones de energía, las variables de estado que permiten resolver y analizar problemas basados en ecuaciones diferenciales no lineales, el elemento finito que consiste en discretizar cualquier elemento para posteriormente modelar y analizar su comportamiento como pudiera ser los modos de vibrar, ecuaciones de estadísticas que facilitaron el estudio de vibraciones aleatorias.

Estos métodos modernos unidos a los avances tecnológicos por ejemplo: las computadoras, los PLC’S, Analizador de vibración, Software de monitoreo y/o mantenimiento, etc. Hacen de las vibraciones en la actualidad; todo un campo de investigación.

1.6 PANOMRAMA ACTUAL DEL ESTUDIO DE VIBRACIONES EN AUTOMÓVILES.

generalmente aleatorias por naturaleza, las vibraciones resultantes en el vehículo también lo son. Además, los niveles de vibración no son únicamente dependientes de la rugosidad del pavimento, sino que son también función del tipo de vehículo, el nivel de carga y la velocidad del mismo. El efecto de estos parámetros suele hacer difícil, el predecir y caracterizar, las complejas interacciones mecánicas que existen entre el vehículo y la superficie de la carretera. Es por tanto ampliamente conocido que el análisis y simulación de vibraciones en vehículos producidas por las carreteras, exige un alto grado de sofisticación.

Aunque los impactos y vibraciones relativos al transporte automotor han sido estudiados a fondo en numerosas ocasiones, todavía no existe un método definitivo para predecirlos, analizarlos o simularlos.

CAPÍTULO II

FUNDAMENTOS DE VIBRACIONES.

Las vibraciones se presentan en muchos aspectos de nuestra vida. En el cuerpo humano, por ejemplo, hay oscilaciones de baja frecuencia en los pulmones y en el corazón, oscilaciones de alta frecuencia en el oído, oscilaciones en la laringe cuando una persona habla y oscilaciones que son inducidas por el ritmo de los movimientos corporales al caminar, saltar o bailar. Muchos sistemas creados por el hombre también experimentan o producen vibraciones. Por ejemplo, cualquier desequilibrio en las máquinas que poseen partes giratorias, como ventiladores, separadores centrífugos, lavadoras, tornos, bombas centrífugas, prensas rotatorias y turbinas, ocasionan vibraciones. Para estas máquinas, las vibraciones son indeseables. Los edificios y las estructuras experimentan vibraciones debido a la operación de maquinaria; el paso de los vehículos, aviones o trenes; o bien, debido a fenómenos naturales como sismos y vientos. Los puentes peatonales y los pisos en los edificios experimentan también vibraciones debido al movimiento que los individuos causan al pasar sobre ellos. En los sistemas estructurales, los esfuerzos fluctuantes ocasionados por las vibraciones pueden generar fallas por fatiga. Las vibraciones son también indeseables cuando se efectúan mediciones con instrumentos de precisión, por

ejemplo, un microscopio electrónico, o cuando se fabrican sistemas

microelectromecánicos. En el diseño de vehículos, el ruido que ocasionan los paneles vibratorios se tiene que reducir. Las vibraciones pueden ser causantes de sonidos desagradables, llamados ruidos, pero también son los que generan la música que escuchamos.

Asimismo, las vibraciones son beneficiosas, como en los relojes atómicos que se basan en las vibraciones atómicas, alimentadores de partes vibratorias, mezcladoras de pintura, instrumentos ultrasónicos que se utilizan en intervenciones quirúrgicas del ojo y en otras partes del cuerpo.

La vibración es un efecto físico que actúa sobre los elementos por transmisión de energía mecánica desde fuentes oscilantes. Se dice que un cuerpo vibra cuando sus partículas oscilan respecto a una posición de equilibrio o referencia. Si el sistema oscila libremente,

lo hace con una frecuencia bien definida, llamada “natural”. Si se le obliga a oscilar a una

frecuencia diferente, impuesta desde el exterior, el desplazamiento variará dependiendo de que la frecuencia impuesta externa esté más o menos cerca de la frecuencia natural del sistema. Si se igualan ambas frecuencias, la amplitud crece y se dice que el sistema

ha entrado en “resonancia”.

2.1 CARACTERÍSTICAS DE LAS VIBRACIONES.

Las vibraciones se pueden dividir en dos grupos principales: Determinísticas y Aleatorias. Las vibraciones deterministas se pueden describir siempre con una expresión matemática, que define la forma de variar con el tiempo, el parámetro de la vibración considerado, mientras las aleatorias solo se pueden describir mediante parámetros estadísticos.

Dentro de las vibraciones deterministas se puede distinguir las periódicas (movimiento oscilatorio en el que el proceso se repite exactamente, llamando a cada repetición ciclo o período) y las no periódicas (los fenómenos transitorios y choques mecánicos, de duración breve), mientras que las aleatorias (vibraciones de movimiento irregular que nunca se repite exactamente) se subdividen en estacionarias y no estacionarias.

La forma más sencilla y directa de describir un fenómeno vibrante periódico es según el modelo del movimiento armónico simple, expresando el valor instantáneo del desplazamiento o posición de la partícula, su velocidad o su aceleración, con respecto a un punto dado de medida y como función del tiempo, ya sea mediante una curva gráfica o una expresión matemática.

El desplazamiento (x, en metros) respecto a una posición de equilibrio o referencia es el primero de los parámetros fundamentales considerados. Su expresión matemática es:

Desplazamiento máximo, o valor pico (m)

Tiempo, (seg.)

f = Frecuencia, en Hz (número de ciclos por unidad de tiempo)

ω = Frecuencia angular (2 f)

La velocidad, en metros/segundo, mide la variación del desplazamiento con respecto al tiempo. Se puede expresar en dB, tomándose como valor de referencia 10-9 _m/seg (umbral de percepción). Su expresión matemática es:

Siendo Velocidad instantánea medida en el tiempo t (m/seg)

Velocidad máxima, o valor de pico (m/seg)

La aceleración en m/s2 _{es la variación de la velocidad con respecto al tiempo. Está} directamente relacionada con la fuerza que ejercen las partículas en una estructura vibrante, ya que toda fuerza es el producto de una masa en movimiento, por su aceleración. Es la magnitud que se utiliza más frecuentemente para la medida de las vibraciones. Su expresión matemática es:

Siendo Aceleración instantánea medida en el tiempo t (m/s2₎

Aceleración máxima o valor pico

Para señales sinusoidales como la del movimiento armónico simple, las amplitudes del desplazamiento, la velocidad y la aceleración están relacionadas, por una función de la frecuencia.

Si se ignora la fase, como ocurre al hacer medidas promediadas en el tiempo, la velocidad se puede obtener dividiendo la aceleración por un factor proporcional a la frecuencia

, y el desplazamiento haciéndolo por otro proporcional al cuadrado de la frecuencia

Si queremos expresar la aceleración en dB, el valor de referencia será de 10-6 _m/s2_{. Así la} expresión para calcular los decibeles será:

Siguiendo con el modelo de un movimiento armónico simple, se puede emplear el valor

“pico” de la señal observada para describir el nivel o amplitud de la vibración

correspondiente, además existen otros parámetros (valor medio y valor eficaz) que son muy útiles e indicados para describir el movimiento y su evolución temporal.

Valor pico: Indica el valor máximo alcanzado sin tomar en consideración la historia en el tiempo de la onda. Es útil sobre todo para indicar los niveles de choques de corta duración.

Valor pico a pico: Indica el recorrido máximo de la onda, lo cual es útil sobre todo cuando el desplazamiento es crítico por las tensiones que suponga o los espacios que se disponga.

FIGURA 2.1 Forma del movimiento armónico simple

√ _∫

donde:

x= Desplazamiento

T= Período

t= Tiempo

De las expresiones matemáticas que definen las magnitudes anteriores se deduce que, para una señal armónica simple, existe la relación:

√ √

Factor de cresta: Se define como la relación existente entre el valor pico y el valor eficaz. Para una señal armónica simple, la relación existente entre los dos parámetros anteriormente mencionados es de la raíz cuadrada de 2, según los visto en las expresiones matemáticas anteriores.

En cuanto a los fenómenos Vibrantes Aleatorios, deben describirse a partir de funciones estadísticas al ser los movimientos de las partículas irregulares sin repetición.

Los parámetros estadísticos que se utilizan son, entre otros, el Valor Eficaz, cuya definición es la misma que la considerada para vibraciones periódicas, la Densidad de Probabilidad, que es la probabilidad de obtener un valor instantáneo de amplitud de la función que se considere dentro de un intervalo dado, dando información clara de la distribución de los valores instantáneos de la vibración y la Densidad Espectral, que da información respecto la distribución en frecuencia de la vibración.

En general, son tres los elementos que forman un sistema vibratorio:

Se debe considerar, además de estos elementos, las fuerzas y momentos aplicados externamente y las alteraciones externas provenientes de desplazamientos iniciales prescritos, velocidades iniciales, o ambos.

El elemento de inercia almacena y libera energía cinética, el elemento de rigidez almacena y libera energía potencial, y el elemento de disipación o de amortiguamiento se utiliza para expresar la pérdida de energía en un sistema. Cada uno de estos elementos tiene características diferentes de excitación-respuesta; la excitación está en la forma de una fuerza o de un momento, y la respuesta correspondiente del elemento está en la forma de un desplazamiento, velocidad o aceleración. Los elementos de inercia se caracterizan por una relación entre una fuerza aplicada (o momento) y la correspondiente respuesta de aceleración. Los elementos de rigidez se caracterizan por una relación entre una fuerza aplicada (o momento) y el desplazamiento correspondiente (o rotación). Los elementos de disipación poseen como característica una relación entre una fuerza aplicada (o momento) y la respuesta correspondiente de velocidad.

TABLA 2.1Unidades de los sistemas vibratorios

Nomenclatura Unidades

Movimiento de Traslación. Masa, m

Rigidez, k

Amortiguamiento, c Fuerza externa, F

Movimiento de rotación

Momento de inercia de la masa, J Rigidez, kt

Amortiguamiento, ct Momento externo, M

kg N/m N*s/m

N

Kg*m2 N*m/rad N*m*s/rad

N*m

El movimiento de traslación de una masa se describe como el movimiento a lo largo de la trayectoria que sigue el centroide. La propiedad de inercia asociada depende sólo de la masa total del sistema y es independiente de la forma como se distribuye la masa en el sistema. Sin embargo, la propiedad de inercia de una masa que está sujeta a movimientos de rotación es una función de la distribución de la masa, en especial del momento de inercia de la masa, el cual se define casi siempre con respecto a su centroide o un punto fijo 0. Cuando la masa oscila con respecto a un punto fijo 0 o un punto pivote 0, la inercia rotatoria J0 es:

donde m, es la masa del elemento, JG es el momento de inercia de la masa con respecto al centroide y d es la distancia desde el centro de gravedad hasta el punto 0. Los momentos de inercia JG y J0 son definidos en la ecuación (2.8) con respecto a los ejes normales al plano de la masa. Esta relación entre el momento de inercia de la masa con respecto a un eje que pasa por el centroide G y un eje paralelo a través de otro punto 0, se deduce del teorema de los ejes paralelos. En la tabla 2.1 se proporcionan los momentos de inercia de la masa de algunos cuerpos comunes.

TABLA 2.2 Momentos de inercia

Barra esbelta

Disco circular

Esfera

En la figura 2.3 se muestra una masa m que se traslada con una velocidad de magnitud _ẋ en el plano X-Y. La dirección del vector de velocidad se señala también en la figura junto con la dirección de la fuerza que actúa sobre esta masa.

Figura 2.3 Masa en traslación.

Con base en el principio de la cantidad de movimiento lineal, el cual se expresa por medio de la siguiente ecuación:

La ecuación que rige el movimiento de la masa es:

_ẋ

la cual, cuando m e i son independientes del tiempo, se simplifica a:

Al examinar la ecuación (2.9) es evidente que en el caso del movimiento de traslación, la propiedad de inercia m es la relación de la fuerza y la aceleración.

En el caso de un cuerpo rígido que solo está sometido a rotación en el plano con una velocidad angular , se puede mostrar a partir del principio de la cantidad de movimiento angular.

donde M es el momento que actúa con respecto al centroide G o un punto fijo 0, como se muestra en la figura 2.4 en la dirección normal al plano de movimiento y J es el momento de inercia de la masa. De la ecuación (2.10) se deduce que en el caso del movimiento de rotación, la propiedad de inercia J es la relación del momento y la aceleración angular.

FIGURA 2.4 a) Disco uniforme articulado en un punto sobre su perímetro, y b) barra de masa uniforme articulada en un extremo.

Una vez más se puede comprobar que las unidades de J aparecen en la tabla 2.1 son consistentes con la ecuación (2.10). Esta propiedad de inercia se conoce también como inercia rotatoria. Además para determinar qué tanto afecta la propiedad de inercia J a la energía cinética se emplea la ecuación:

para mostrar que la energía cinética del sistema es:

Por tanto, la energía cinética del movimiento en rotación solo es linealmente proporcional a la propiedad de inercia J, en el momento de inercia de la masa. Por otro lado, la energía cinética es proporcional al cuadrado de la magnitud de la velocidad angular.

Los elementos de rigidez almacenan y liberan energía potencial de un sistema. Para examinar cómo se define la energía potencial, considere la figura 2.5a

FIGURA 2.5 a) Elemento de rigidez con una fuerza que actúa en él, y b) su diagrama de cuerpo libre.

en la cual un resorte se mantiene fijo en el extremo 0, y en el otro extremo una fuerza de magnitud F sigue la dirección del vector unitario j. Al sufrir esta deformación, la relación entre F y x puede ser lineal o no lineal.

Si FS representa la fuerza interna que actúa dentro del elemento de rigidez, según se ilustra en el diagrama de cuerpo libre de la figura 2.5b, entonces esta fuerza es igual y de sentido contrario a la fuerza externa F en la porción inferior del resorte; es decir,

Como la fuerza Fs trata de restablecer el elemento de rigidez a su configuración no deformada, se le llama fuerza restauradora. A medida que el elemento de rigidez se deforma, la energía se almacena en él, y conforme el elemento de rigidez regresa a su configuración inicial se libera energía.

2.3.1 RESORTES LINEALES.

Si se aplica una fuerza F a un resorte lineal, como se muestra en la figura 2.5a, esta fuerza produce una deflexión x tal que:

donde el coeficiente k se denomina constante de resorte y existe una relación lineal entre la fuerza y el desplazamiento. De acuerdo con la ecuacion (2.13), la energía potencial V almacenada en el resorte se expresa como:

∫ ∫ ∫

De aquí que para un resorte lineal, la energía potencial asociada guarda una proporción lineal con la rigidez del resorte k y proporciona a la segunda potencia de la magnitud del desplazamiento.

b) Resorte de torsión

Si se considera un resorte lineal de torsión y se aplica un momento al resorte en uno de sus extremos, mientras el otro extremo del resorte se mantiene fijo, entonces

donde kt es la constante del resorte y es la deformación del mismo. La energía potencial almacenada en este resorte es:

∫ ∫

2.3.2 RESORTES NO LINEALES.

una serie de esta función se interpreta como una combinación de componentes de resorte, lineales y no lineales.

Por lo que se refiere a un elemento de rigidez con un elemento de resorte lineal y un elemento de resorte no lineal cúbico, la relación fuerza-desplazamiento se expresa como:

⏟ ⏟

Resorte lineal Resorte no lineal

donde representa el coeficiente de rigidez del término no lineal desde el punto de vista de la constante del resorte lineal k. La cantidad puede ser positiva o negativa. Un elemento de resorte para el cual es positiva se llama resorte de endurecimiento y un resorte para el cual es negativa se denomina resorte de suavización. Según la ecuación (2.17), la energía potencial V es:

∫

Por consiguiente, en el caso de un resorte no lineal, la energía potencial es proporcional a potencias de la magnitud del desplazamiento, superiores a dos.

En cuanto a un elemento de rigidez lineal, la gráfica de fuerza contra desplazamiento es una recta, y la pendiente de esta recta da la constante de rigidez k. Por lo que se refiere a un elemento de rigidez no lineal descrito mediante la ecuación (2.17), la gráfica ya no es una recta.

FIGURA 2.6 Datos obtenidos de modo experimental que se utilizaron para determinar la constante

de resorte no lineal αk.

2.4 ELEMENTOS DE DISIPACIÓN.

Los elementos de amortiguamiento no tienen inercia, ni medios de almacenar o liberar energía potencial. El movimiento mecánico impartido a estos elementos se convierte en calor o sonido y, por tanto, se les denomina no conservativos o disipativos porque el sistema mecánico no puede recuperar esta energía.

Hay cuatro tipos comunes de mecanismos de amortiguamiento que se usan para modelar los sistemas vibratorios:

i) Amortiguamiento viscoso.

ii) Amortiguamiento de Coulomb o de fricción seca. iii) Amortiguamiento material o sólido o histerético. iv) Amortiguamiento por fluido.

Cuando un líquido viscoso fluye a través de una ranura o alrededor de un émbolo en un cilindro, la fuerza de amortiguamiento que se genera es proporcional a la velocidad relativa entre los dos límites que confinan al líquido. Una representación usual de un amortiguador viscoso es un cilindro con una cabeza de pistón, como se muestra en la figura 2.7

FIGURA 2.7 Representación de un amortiguador viscoso

Los elementos de amortiguamiento viscoso lineal se pueden combinar de la misma manera que los resortes lineales, excepto que las fuerzas son proporcionales a la velocidad y no al desplazamiento.

ii) Amortiguamiento de Coulomb o de fricción seca.

Este tipo de amortiguamiento se debe a la fuerza que ocasiona la fricción entre dos superficies sólidas. La fuerza que actúa en el sistema se tiene que oponer al movimiento;

por tanto, el signo de la fuerza debe ser de sentido contrario (dirección) a la velocidad, tal y como se ilustra en la figura 2.8.

FIGURA 2.8 Fricción seca

i) Amortiguamiento estructural o sólido o histerético.

Este tipo de amortiguamiento explica las pérdidas en los materiales debido a la fricción interna. La fuerza de amortiguamiento es una función del desplazamiento y la velocidad.

ii) Amortiguamiento por fluido.

CAPÍTULO III

PRINCIPALES FACTORES QUE INTERVIENEN EN LAS VIBRACIONES DE UN AUTOMÓVIL.

En un automóvil, muchas estructuras y elementos que lo componen, se ven involucrados en el fenómeno de las vibraciones, sin embargo; algunos de los sistemas intervienen directamente en la propagación de dicho fenómeno.

El motor del automóvil es el elemento que genera la primer fuente de vibración, desde el mismo momento en que es encendido el vehículo, sin embargo, no genera el grado más elevado de oscilaciones, porque ese lugar corresponde a la interacción del vehículo con el camino o asfalto de modo tal que los elementos que contribuyen a la mayor propagación de vibraciones en un automóvil son; los neumáticos, el sistema de frenos, sistema de dirección, así como el sistema de suspensión, todos éstos elementos en conjunto permiten que se presente y propague el fenómeno a través de todas las estructuras que componen el automóvil, todo esto sin tomar en cuenta las irregularidades del camino y que determinan que tan intensas pueden ser dichas oscilaciones.

De modo tal que los factores principales que intervienen en las vibraciones de un automóvil son:

 El motor

 Neumáticos (ruedas)  Sistema de Frenos  Sistema de dirección  Sistema de suspensión

3.1 EL MOTOR.

aportación del calor producido al quemarse el combustible. En éste caso la presión de los gases de la combustión y el calor generado en su interior, provocan el movimiento de un mecanismo que se aprovechará como fuente de energía. Este principio, utilizado ya desde hace muchos años, continua siendo el mismo que en la actualidad, aunque lógicamente mucho más avanzado en cuanto a diseño y tecnología.

FIGURA 3.1 Motor SEAT 4 cilindros.

3.1.1 CLASIFICACIÓN Y CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR.

Los motores de combustión interna vienen determinados en función de una serie de características constructivas y de funcionamiento que se pueden clasificar:

a) Según el combustible empleado.

Podrá ser líquido (gasolina, gasóleo) o gaseosos (hidrógeno, gas natural).

En el caso de los motores de gasolina, la combustión se realiza cuando el émbolo o pistón se encuentra en el punto de máxima compresión de una mezcla de aire – gasolina. En éste momento, la chispa que proporciona una bujía produce una deflagración con el consiguiente aumento de temperatura y presión en el pistón que será el encargado de realizar el trabajo motriz.

En los motores diésel, se introduce previamente aire en el cilindro y se comprime hasta que llega a un punto de máxima temperatura; a continuación, se inyecta a presión y pulverizado el combustible, con lo que se consigue la combustión con la fuerza necesaria para realizar su trabajo.

c) Según el número de carreras del pistón en cada ciclo.

De 2T (dos tiempos), cuando el pistón sube y baja una vez en cada ciclo Figura 3.2

FIGURA 3.2 Motor de 2T. donde:

A) Lumbrera de admisión al cárter. B) Lumbrera de carga.

C) Canalización de transferencia. D) Lumbrera de escape.

- Compresión en el cilindro - El pistón va del PMI al PMS. 2) - Explosión – expansión.

- Compresión en el cárter. - El pistón va del PMS al PMI. 3) - Barrido de los gases.

De 4T (cuatro tiempos), cuando lo hace dos veces por ciclo Figura 3.3

FIGURA 3.3 Motor de 4T. donde:

1) ADMISIÓN: Desciende el pistón de la parte superior a la inferior. La válvula de admisión está abierta y la mezcla aire – gasolina es aspirada por el pistón llenando el cilindro.

2) COMPRESIÓN: La válvula de admisión se cierra y el pistón sube comprimiendo la mezcla.

3) EXPLOSIÓN: Cuando la mezcla comprimida llega a la parte alta, salta una chispa en la bujía y la mezcla se quema y expande. La fuerza empuja al pistón a la parte inferior.

d) Según el número de cilindros.

Se dice que es monocilíndrico si lleva uno o policilíndrico si lleva varios. Los más utilizados son los de cuatro, seis, ocho y doce cilindros.

e) Según la disposición de los cilindros. a) En línea.

b) En forma vertical c) En oposición. d) En forma horizontal e) En forma de V. f) En forma de estrella. g) Invertido.

h) En forma de U.

FIGURA 3.4 Disposición de cilindros. donde:

1. Motor monocilíndrico.

5. Motor de 4 cilindros horizontales.

6. Motor de 2 filas paralelas de cilindros; motor en U. 7. Motor V 4.

8. Motor V 6. 9. Motor V 8.

10. Motor en V de ángulo agudo. 11. Motor en V a 60°.

12. Motor en V a 90°. 13. Motor horizontal. 14. Motor inclinado. 15. Motor invertido. 16. Motor vertical.

3.1.2 PARTES PRINCIPALES DE UN MOTOR Y SUS CARACTERÍSTICAS.

A continuación se describen las partes de un motor básico, es decir, las que son comunes de los motores de combustión interna.

1. La culata: Situada en la parte superior del motor donde aloja a las válvulas y los conductos que canalizan la admisión y el escape. Cierra los cilindros.

2. Las válvulas: Que al abrir y cerrar se encargan de dar paso a la entrada de los gases (admisión) y dar salida a los gases quemados de la combustión (escape). 3. El árbol de levas: Que es el encargado de abrir y cerrar las válvulas. Está situado

en la culata y es doble (en este caso).

4. Los cilindros: Donde suben y bajan los pistones. Pueden ir mecanizados en el bloque o encamisados.

5. El bloque: Es la estructura principal donde están los cilindros, se ubica la bancada y se asienta el cigüeñal.

6. Los pistones: Que se deslizan por los cilindros con movimiento rectilíneo alternativo.

7. Los segmentos: Que se encargan de conseguir un cierre hermético de la cámara de combustión y ayudan a disipar el calor.

8. Las bielas: Que transmiten el movimiento de los pistones al cigüeñal.

9. El cigüeñal: Que recibe la fuerza de los pistones por medio de la biela y la transforma en movimiento giratorio.

10. Los cojinetes de bancada: Sobre los que gira el cigüeñal dentro del bloque de los cilindros.

11. El volante: Que está unido al cigüeñal y proporciona la inercia necesaria para que el pistón vuelva a subir después del tiempo de explosión.

12. La correa de distribución: Encargada de unir en giro sincronizado el movimiento del cigüeñal y el árbol de levas.

13. Colectores de admisión: Son los que canalizan los gases de entrada a los cilindros.

14. Colectores de escape: Conduce los gases quemados de la combustión desde la culata al exterior.

15. Cárter de aceite: Es el recipiente donde se aloja el aceite de engrase y está situado en la parte inferior del bloque.

3.1.3 EQUILIBRADO DEL MOTOR.

sometidos a regímenes de giro importantes (cigüeñal, volante, árbol de levas, etc.), han de estar perfectamente equilibrados, de lo contrario provocarían ruidos, vibraciones y averías importantes. Para conseguir disminuirlas o anularlas, toma un papel determinante el diseño del cigüeñal y la razón de orden de encendido para evitar todos estos problemas. También la necesidad de disponer de un volante de inercia apropiado para equilibrar el giro del cigüeñal. Pero además es frecuente en los revolucionados motores actuales de unos ejes de giro contra – rotantes.

FIGURA 3.6 Ejes compensadores contra - rotantes.

3.2 NEUMÁTICOS (RUEDAS).

Al conjunto que habitualmente es denominado “rueda” o “neumático” en realidad es un

conjunto neumático que está compuesto por varios elementos:

- La Cubierta: Es el elemento que va en contacto con el suelo y posee una compleja estructura en la que intervienen cauchos naturales, gomas sintéticas, hilos de acero, fibras, etc.

llantas de fundición de acero poseen una elevada resistencia y una base de mecanización muy precisa. Las de aleación ligera son muy adecuadas para vehículos de carácter deportivo debido a su reducido peso. Pueden ser forjadas o de fundición. Las ruedas de disco se utilizan en turismos y en vehículos industriales. El disco de la rueda y la llanta van soldados entre sí. Mediante orificios dispuestos en el disco de la rueda se obtiene un peso más reducido y una mejor refrigeración de los frenos.

Existen diferentes tipos de llantas que revisten diferentes profundidades de acampanadura. Las más modernas utilizan las de base profunda, lo cual facilita el montaje del neumático y aumenta el volumen del aire.

Para obtener un buen asiento del neumático sobre el talón de llanta (sobre todo en el caso de neumáticos sin cámara).

FIGURA 3.7 Neumático con ring de aluminio.

- La cámara de aire: que es hermética y de goma y sirve para mantener la presión del aire dentro del neumático. En la actualidad se tiende a montar cubiertas sin cámara llamadas tubeless.

3.2.1 MISIÓN Y FUNCIONES DEL NEUMÁTICO.

Las funciones que en el vehículo realiza el neumático son:

- Soportar la carga.

- Guiar la trayectoria del vehículo.

- Transmitir la potencia motriz y la potencia del freno.

- Proteger el vehículo y el confort de los pasajeros contra el terreno.

En relación con éstas funciones se encuentran varios parámetros con los cuales se pueden medir las prestaciones que el neumático es capaz de aportar.

Algunas de éstas características están marcadas en los flancos de las cubiertas de forma normalizada.

En particular se identifican:

- Características dimensionales o de construcción

- Características de servicio (carga máxima, velocidad máxima).

- Homologaciones DOT y ECE, que indican que la cubierta ha superado varios estándares americanos y europeos de cara a garantizar una determinada resistencia mecánica.

Además de éstas características, se indican otro tipo de informaciones muy útiles para el técnico montador.

3.2.2 COMPONENTES DE UNA CUBIERTA.

Constituye la estructura resistente de la cubierta. Tiene en particular la función de soportar las solicitudes introducidas por la presión de hinchado, de la carga aplicada y de los esfuerzos transmitidos entre neumático y terreno durante el funcionamiento.

Viene caracterizada por una elevadora flexibilidad, formada por telas, textiles en la mayoría de los casos, engomadas y dispuestas de modo particular, según diversos esquemas de construcción. La cubierta transmite al suelo los esfuerzos que se producen en la llanta.

Funciones:

- Mantener el aire bajo presión.

- Transmitir los pares desde el talón a la banda de rodamiento. - Participar en el sistema de suspensión.

- Participar conjuntamente con la cintura en soportar los esfuerzos.

Materiales:

Compuesto por una o más capas de telas engomadas. Cada tela está formada por una serie de cuerdas de material resistente y flexible dispuestas paralelamente.

Los materiales empleados son rayon, nylon, poliéster y acero. La carcasa está revestida interiormente con una capa de goma, con particulares dotes de impermeabilidad (Liner).

a) Cintura.

Está presente en las estructuras radiales y es de forma anular de refuerzo, dispuesta en la parte superior de la carcasa, inmediatamente debajo de la banda de rodaje. Compuesta por dos o más telas con los hilos dispuestos, sensiblemente en la dirección de la circunferencia, forzan a la carcasa a tener una forma plana en ésta zona.

Funciones:

- Aumentar la estabilidad del neumático. - Participar en soportar la carga.

- Aumentar el rendimiento kilométrico. - Aumentar la precisión de conducción.

Materiales:

Constituidos por telas realizadas en rayon, acero, fibra de vidrio, kevlar y nylon.

FIGURA 3.9 Partes de una cubierta. b) Banda de rodamiento.

Constituida sólo por goma que envuelve la circunferencia de la cubierta en la zona de contacto con el suelo. Tiene la misión de proteger la carcasa contra la abrasión y los golpes, además de dar resistencia al desgaste y un buen agarre en seco en mojado, mediante el dibujo de la misma.

Funciones:

- Asegurar la adherencia al terreno. - Participar en el agarre en curva.

- Garantizar un adecuado rendimiento kilométrico. - Proteger la estructura interior.

- Garantizar el confort acústico. - Evacuar el agua.

Mezclas de goma de variada composición, con la finalidad de garantizar una buena resistencia al desgaste y la adecuada adherencia.

c) Flancos.

Revestimiento constituido por solo goma con la función de proteger las telas de carcasa en la zona entre el hombro y el cordón de centrado. En algún caso puede existir un cordón de protección en la zona de mayor amplitud de la cubierta.

Funciones:

- Proteger contra los golpes laterales.

Materiales:

Mezcla de goma con elasticidad, resistencia contra el envejecimiento y evacuación y transmisión de calor.

d) Talones.

Elemento de la cubierta mediante el cual se realiza el calzado de la llanta. Está reforzado por uno o más aros metálicos, que además de asegurar la indeformabilidad procuran el anclaje de la estructura de refuerzo.

Funciones:

- Participar en la transmisión de los esfuerzos de aceleración y frenado. - Anclar la estructura de refuerzo.

3.2.3 FACTORES QUE INFLUYEN EN EL RENDIMIENTO DE UN NEUMÁTICO.

Son muchos los factores que pueden influir en el rendimiento de un neumático, de tal suerte que las más importantes son:

 Velocidad: Un neumático se desgasta más rápido cuanto mayor sea la velocidad del vehículo.

 Temperatura: La temperatura del ambiente es un factor que determina el desgaste más rápido.

 Presión de inflado: Una presión de inflado baja provoca una disminución de rendimiento. Llevar la presión correcta proporciona una mayor seguridad (adherencia, estabilidad), economía de combustible (menor resistencia al rodamiento), duración (rendimiento en kilómetros), confort (flexibilidad y menor rumorosidad). Las presiones siempre deben ser verificadas en frio.

FIGURA 3.10 Tipos de presión de inflado.

 Choques: Golpear los neumáticos contra los bordes de las aceras, o pasar rápidamente sobre baches, puede ser causa de deterioros que no siempre se llegan a observar tan fácilmente.

 Tipo de conducción: Una conducción que puede llamarse nerviosa o deportiva, con fuertes aceleraciones y frenadas, disminuye considerablemente la duración de los neumáticos.

3.3 SISTEMA DE FRENOS.

Para ello se equipa al vehículo con una serie de mecanismos que se encargan de conseguirlo, permitiendo realizarlo en las mejores condiciones de seguridad: tiempo y distancia mínimos, conservación de la trayectoria del vehículo, con una frenada proporcional al esfuerzo del conductor, en diversas condiciones de carga, etc. Ahora bien, se ha de tomar en cuenta que si el proceso de frenado se realiza muy bruscamente, las ruedas se bloquean y se desplazan sin girar, provocando una pérdida de su adherencia y por lo tanto se producirá un derrape.

Cuando el vehículo está en movimiento se establece una fuerza de adherencia con respecto al piso sobre el que se desplaza. El valor de dicha fuerza depende, en cada instante, de la carga que gravite sobre las ruedas y el coeficiente de rozamiento entre los neumáticos y el suelo.

FIGURA 3.11 Sistema de frenos.

Por tanto, la fuerza de frenada aplicada de ver, en todo momento, inferior al límite de adherencia del vehículo. Cuando se supera dicho valor las ruedas se bloquearán.

Los mecanismos de freno de las ruedas se distinguen entre frenos de disco y frenos de tambor. Estos últimos se utilizan más para los ejes traseros y en los vehículos más lentos. La energía de frenado transmitida por el sistema de frenos actúa en estos frenos de rozamiento como fuerza tensora para comprimir los forros de los frenos contra el tambor o contra el disco.

FIGURA 3.11 Frenos de disco y de tambor.

3.3.1 ELEMENTOS BÁSICOS DEL SISTEMA DE FRENOS.

Dependiendo el tipo de equipamiento de cada vehículo; los elementos tienden a variar de un vehículo a otro, sin embargo los elementos importantes presentes en todo sistema de frenos básico son:

 Pedal de freno: Que es el que acciona directamente el conductor con el pie.  Freno de mano: Palanca accionada directamente por el conductor con la mano, y

que mantiene el estado de frenado, mientras se encuentre activado.

 Bomba o cilindro maestro: Mecanismo encargado de enviar con la presión necesaria el líquido de frenos a cada una de las ruedas, accionado por medio del movimiento del pedal de freno y un vástago.

 Depósito de líquido de frenos: En donde se deposita el líquido de frenos del sistema.

 Tuberías y mangueras: Aquellas que conectan a cada uno de los elementos del sistema y que ayudan a dirigir a su destino el líquido de frenos, resistentes a la corrosión y a las presiones del líquido.

 Caliper (Frenos de Disco): La masa en donde se aloja un pequeño cilindro, que es accionado por la presión del líquido y que acciona directamente las pastillas de freno.

 Pastillas de freno (balatas): Elementos de material especial que tienen como función presionar el disco de freno por medio de la presión para lograr el frenado del vehículo.

 Discos de freno: Elementos que están conectados con los neumáticos y son detenidos por la acción de fricción de las pastillas de frenos.

3.4 SISTEMA DE DIRECCIÓN.

La dirección es el sistema encargado de proporcionar el giro adecuado a las ruedas delanteras del automóvil mediante la acción que el conductor ejecuta sobre el volante para que tome la trayectoria deseada.

La dirección ha de reunir una serie de cualidades que le permitan ser capaz de ofrecer:

- Seguridad activa. - Seguridad pasiva. - Comodidad. - Suavidad. - Precisión.

- Facilidad de manejo. - Estabilidad.

FIGURA 3.12 Sistema de dirección del automóvil.

Todas éstas fuerzas de rozamiento necesitan del desarrollo de diferentes mecanismos de dirección que permitan una conducción que cumpla con las necesidades expuestas anteriormente.

Los órganos que intervienen en la dirección han de ser robustos de construcción y con los ajustes precisos. En caso de colisión, dada la inmediatez de la columna y el volante de la dirección con el conductor, está legislado que adopte un cierto grado de deformidad toda la columna de la dirección para evitar mayores daños. También para una buena adaptabilidad a la altura de cada conductor y mejorar así los aspectos de comodidad, se puede variar la posición de altura del volante según las necesidades.

3.4.1 GEOMETRÍA DEL EJE DELANTERO.

El círculo de dirección va a depender de dos factores principales: el tamaño del paso de rueda y la construcción de la tirantería de la dirección.

3.4.2 ESTRUCTURA DE LA DIRECCIÓN.

Para transmitir a las ruedas el movimiento de giro del volante efectuado por el conductor son necesarios varios componentes, los cuales pueden diferir según el modelo del automóvil.

Básicamente el movimiento se transmite a las ruedas delanteras mediante:

- El volante

- El eje de la columna de la dirección - El mecanismo de la dirección - La tirantería de la dirección

El mecanismo de la dirección se encarga de desmultiplicar la fuerza ejercida por el conductor sobre el volante, transformando el movimiento de éste en movimiento de tracción o empuje de las barras de acoplamiento.

Mediante la biela de mando de la dirección o la cremallera de la dirección se transmite el movimiento transformado a la tirantería de la dirección. Esta tiene la misión de transmitir el movimiento de salida del mecanismo de dirección a las ruedas.

a) Tirantería de la dirección.

Según el tipo de montaje del eje delantero se utilizan:

- Barras de acoplamiento de una sola pieza accionados mediante bielas de mando de la dirección.

- Barras de acoplamiento de dos piezas accionado por biela de mando de la dirección

- Barra de accionamiento de tres piezas accionada mediante biela de mando de la dirección.

FIGURA 3.13 Componentes Básicos de un Sistema de Dirección.

b) Amortiguadores de la dirección.

Los amortiguadores de la dirección son amortiguadores de un solo tubo que cumplen con la función de eliminar las brusquedades de la dirección, evitar oscilaciones en las ruedas. El montaje de los amortiguadores puede realizarse en cualquiera de los diferentes tipos de dirección.

c) Rótulas.

La rótula es el elemento encargado de conectar los diferentes elementos de la dirección a los brazos de control, permitiendo el movimiento de sus miembros en planos diferentes.

3.5 SISTEMA DE SUSPENSIÓN.

FIGURA 3.14 Disposición del sistema de suspensión.

En la figura 3.15 se muestra de forma esquemática la composición de la suspensión. Las masas suspendidas son todas las que están soportadas por los elementos elásticos de la suspensión. Es decir, aquellas cuya posición vertical está fijada por la carga que hay sobre los elementos elásticos y por tanto su peso está soportado por estos elementos elásticos.

Las masas no suspendidas son aquellas que están soportadas directamente por la rueda o neumático y se considera que se mueven con él.

Entre las masas suspendidas y las no suspendidas se interponen los muelles o resortes y los amortiguadores, que son los órganos elásticos de los que se conoce como sistema de suspensión.

FIGURA 3.15 Composición de la suspensión.

Además también es necesario que cumplan con otras funciones complementarias:

- Transmitir las fuerzas de aceleración y de frenada entre los ejes y el bastidor. - Resistir el par motor y de frenada.

- Resistir los efectos de las curvas.

- Conservar el ángulo de dirección en todo el recorrido.

- Conservar el paralelismo entre los ejes y la perpendicularidad del bastidor. - Proporcionar una estabilidad adecuada al eje de balanceo.

- Aguantar la carga del vehículo.

Cuando un automóvil pasa sobre un resalte o sobre un hoyo, se produce un golpe sobre la rueda, que se transmite por medio de los ejes al chasis y que se traduce en vibraciones.

Una mala conducción o un reparto desequilibrado de las cargas pueden también originar vibraciones. Estos movimientos se generan en el centro de gravedad del coche y se propagan en distintos sentidos. Los tres tipos de vibraciones existentes se pueden ver en la figura 3.16 y son:

- (a) Empuje: Se produce al pasar por terreno ondulado - (b) Cabeceo: Fruto de frenadas bruscas

FIGURA 3.16 Tipos de vibraciones en el automóvil.

3.5.1 COMPONENTES DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓN

1) Los elementos elásticos: Los elementos elásticos de la suspensión son interpuestos entre las masas suspendidas y no suspendidas. Por su propia naturaleza tienen que ser deformables para poder absorber el traqueteo generado por la marcha, y la amplitud de estas deformaciones tiene que estar limitado en un intervalo definido.

Los principales tipos de muelles empleados son:

- Las ballestas

- Los muelles helicoidales - Las barras de torsión

FIGURA 3.17 Suspensión trasera con ballestas

Su hoja más larga se llama maestra y sus extremos curvados forman los ojos donde se colocan los casquillos o silentblocs para los bulones que articulan la ballesta con los soportes del bastidor. El resto de las hojas va disminuyendo su longitud a medida que se distancian de la maestra.

b) Los muelles helicoidales Son los que más se utilizan en el automóvil de turismo actual. Están formados por arrollamientos helicoidales de acero elástico fabricado con un grosor de varilla adecuado a la rigidez que se quiera conseguir, así como con el número de espiras, la distancia entre espiras (paso), el tipo de material y el diámetro del arrollamiento.

c) Las barras de torsión Las barras de torsión se basan en el principio de que si una barra de acero elástico es sujetada por uno de sus extremos y se le aplica una fuerza de torsión por el otro extremo esta varilla tenderá a retorcerse y volverá a su forma primitiva por la elasticidad cuando cesa en su esfuerzo de torsión.

La barra, normalmente de forma circular, tiene en sus extremos un estriado que se coloca por una parte en el brazo de suspensión y por el otro en el soporte fijo de la carrocería.

Las barras de torsión pueden disponerse paralelamente al eje longitudinal del bastidor o también transversal a lo largo del bastidor

FIGURA 3.19 Disposición de las barras de torsión

2) Las barras estabilizadoras Consisten en una barra de acero elástico en forma de U cuyos extremos se fijan en los brazos de suspensión de las ruedas figura 3.20

Cuando el vehículo entra en una curva, la fuerza centrífuga que se genera obliga a la carrocería a inclinarse con tendencia al vuelco. Los diferentes muelles experimentan en una de sus partes compresión y en la otra expansión; igualmente cuando una rueda se encuentra con un saliente en la carretera, la carrocería tiende a subir y cargar el muelle contrario.

FIGURA 3.20 Principio de funcionamiento de la barra estabilizadora

3) Los amortiguadores La misión de los amortiguadores es la de atenuar rápidamente las oscilaciones de la carrocería del automóvil (comodidad), disminuir las variaciones de carga dinámica de la rueda y evitar que salten sobre el suelo (seguridad de marcha).

Existen numerosos tipos de amortiguadores, los más utilizados son:

- Los amortiguadores hidráulicos - Los amortiguadores de gas

CAPÍTULO IV

APLICACIÓN DEL MÉTODO DE ANÁLISIS.

Analizar y medir vibraciones en un automóvil supone la búsqueda de criterios que permiten darle rumbo y coherencia a los resultados que se obtienen, ya que se espera en primer instancia realizar alguna comparación con respecto a parámetros establecidos como aceptables dependiendo si el objeto de estudio es la persona que se encuentra involucrada directamente al fenómeno de las vibraciones que produce un automóvil, y como pueden afectar su salud, o si el punto de estudio se dirige a conocer los efectos que podrían causar las vibraciones en las estructuras del vehículo, así también repercusiones de índole económico, social y ambiental.

Todo aquel fundamento de los parámetros o índices aceptables se rigen por medio de las normas ya sea nacionales (NOM) o internacionales (ISO).

Para iniciar el análisis y medición de las vibraciones se requiere de lo siguiente:

 Medidor de Vibraciones

 Automóviles (objeto de estudio)

Para el caso del medidor de vibraciones que lleva por nombre (vibrómetro) es de tipo pluma portable, mide tres parámetros: desplazamiento, velocidad, y aceleración. El parámetro que se utiliza en éste caso para realizar las mediciones es la aceleración (m/s2_{), debido a que es el más utilizado para tales fines, según las normativas presentes.}

En el caso de los automóviles y por las facilidades otorgadas por una de las agencias de la marca SEAT; se toma en consideración el vehículo IBIZA desde el año 2008 – 2013 debido a que son los que mayor presencia tienen en el centro de trabajo y en ese rango de años por el hecho de que poseen características en alto grado semejantes entre sí, (características de construcción).

Las mediciones se realizan en las siguientes condiciones:

 Mediciones en modo estático Es decir los efectos que produce únicamente el motor en su marcha lenta o de ralentí, que es cuando se aprecia con mayor facilidad el fenómeno vibratorio, las mediciones se efectúan directamente en el motor y posteriormente en el tablero, y así verificar el grado de absorción del efecto vibratorio.

 Mediciones en modo dinámico Se mide el grado de vibraciones en el tablero solo en recorridos de prueba de los automóviles de los demás factores que contribuyen en la generación del fenómeno en estudio (neumáticos, sistema de frenos, sistema de dirección y sistema de suspensión). No se suma el valor de las vibraciones del motor en el modo dinámico ya que al encontrarse en marcha el automóvil; las revoluciones aumentan considerablemente, es decir aumenta la frecuencia de trabajo del motor y el nivel de vibraciones disminuye al mínimo.

4.1 MEDIDOR DE VIBRACIONES (VIBRÓMETRO TIME GROUP INC TV260)

- Estructura

FIGURA 4.1 Estructura del medidor de vibraciones

Presionar el sensor contra la superficie a medir. Presione el botón, la pluma inicia en la función de medición del desplazamiento. Si se libera el botón en éste punto, el valor de la medición se mantendrá visible por 40 segundos, luego la pluma se apagará automáticamente.

Igual que en la prueba de desplazamiento, las mediciones de velocidad y aceleración pueden realizarse con una doble pulsación del botón (presionar rápidamente dos veces seguidas dentro de 200 ms)

- Características Técnicas

TABLA 4.1 Características Técnicas

Parámetros de prueba

 Desplazamiento  Velocidad  Aceleración

Rango de prueba

Desplazamiento: 0.01 mm – 1.999 mm (pico – valor pico) Velocidad: 0.1 mm/s – 199 mm/s (valor virtual)

Aceleración: 0.1 m/s2_{– 199 m/s}2 _{(valor pico)}

Rango de frecuencia

Desplazamiento: 10 Hz – 500 Hz Velocidad: 10 Hz – 1 KHz

Aceleración: 10 Hz – 1 KHz

Error relativo

Indeterminación de sensibilidad: ≤ 3% Error lineal relativo de amplitud: 5% 2%

Error relativo de respuesta a la frecuencia: -20% +10% (para una frecuencia de 10 Hz ≤ f ≤ 20 Hz), 5% (para frecuencia 20 Hz ≤ f ≤ 1000 Hz)

Pantalla

Lcd de 3 dígitos, el ciclo de trabajo del display es cercano a 1s

Provisión de energía 2 baterías tipo botón (LR44 o SR44)

Vida de la batería

En operación continua es de 5 horas, en reposo es de 1 año

Ambiente Humedad < 85%

Dimensión 150 mm x 22 mm x 18 mm

Peso 55 gramos aproximadamente (incluidas las 2 baterías)

4.2 AUTOMÓVILES (OBJETO DE ESTUDIO)

Los automóviles que son objeto de estudio pertenecen a la marca española SEAT en particular el modelo IBIZA desde 2008 – 2013 REFERENCE ya que se trata del vehículo más popular de la marca, además de tener mayor presencia lo que posibilita el estudio, tomando en cuenta que éstos vehículos pertenecen a la cuarta generación guardando entre sí, características de diseño y construcción similares, solo se identifica una diferencia principal; el motor:

 Motor 2.0 L  Motor 1.6 L

Es decir la capacidad de cilindrada del motor o bien la capacidad volumétrica que tienen los cilindros del motor, lo cual repercute directamente en el consumo de combustible y la potencia, el estudio se centra en los vehículos con motor 2.0 L

4.2.1 IBIZA 2.0 L

 Vista

 Datos técnicos

TABLA 4.2 Datos Técnicos IBIZA REFERENCE 2.0 l DIMENSIONES (mm)

Largo: 4052

Ancho: 1693

Alto: 1445

Distancia entre ejes: 2469

MOTOR

No. De cilindros: 4

Desplazamiento (cm3_{): 1984}

Alimentación de Combustible: Inyección multipunto

Potencia (SAE) HP/rpm: 115/5200

Torque lb-ft/rpm: 125/2400

TREN MOTRIZ / LLANTAS

Transmisión: Manual, 5 velocidades

Barra Estabilizadora Delantera (diámetro): 18 mm

Frenos Delanteros: Disco Ventilado

Frenos Traseros: Disco

Suspensión Delantera: Independiente, tipo McPherson, muelles

helicoidales, barra estabilizadora.

Suspensión Trasera: Eje con brazos longitudinales, muelles

helicoidales.

DESEMPEÑO

Velocidad Máxima (km/h): 193

Aceleración 0-100 km/h (segundos): 9.2

Rendimiento de Combustible Combinado

(km/l): 16.9

CAPACIDADES

Pasajeros: 5

Cajuela (lt): 292

Tanque de Combustible (lt): 45

Peso Vehicular (kg): 1135

TABLA 4.2.1 FACTORES EN MALAS CONDICIONES COMUNES

FACTORES DESCRIPCIÓN

Motor

El motor se encuentra en malas condiciones desde el momento en que alguna de las bujías deja de funcionar, alguna bobina de encendido; cuando los filtros ya sea de aire o combustible están sucios o tapados.

Neumáticos

Los neumáticos se encuentran en malas

condiciones cuando no se están

adecuadamente inflados, y cuando

presentan deformaciones debido a golpes bruscos, lo que propicia un desbalanceo en el giro de los mismos.

Frenos

El sistema de frenos típicamente se encuentra en mal estado debido a que los discos de frenos sufren deformaciones y requieren rectificación, además las pastillas de frenos o mejor conocidas como balatas presentan desgastes excesivos.

Dirección

El sistema de dirección tiene por principales causas de fallo o mal estado la pérdida de alineación de las ruedas por el constante choque de los neumáticos con las deformaciones del camino, y en golpes

bruscos, se puede presentar la

deformación de las vieletas de dirección.

Suspensión

El sistema de suspensión se encuentra en malas condiciones debido a que se deterioran las copelas de suspensión delanteras y las tapas de suspensión traseras, por otro lado se presenta desgaste en las rótulas de horquilla así como en los bujes de la misma, éstos citándose como los principales problemas.

Las descripciones expuestas en la tabla anterior competen a los principales problemas que se presentan en cada uno de los factores que intervienen en las vibraciones del automóvil lo que les da la distinción de encontrarse en buen o mal estado.

Se realizan las mediciones a una muestra de 3 automóviles (modo estático) de forma directa en el motor y en el tablero (cabina del automóvil).

FIGURA 4.3 Mediciones Directas en el Motor.

________________________________________________________________________

IBIZA 2013 PLATA

NÚMERO DE CHASIS: VSSMK46J7DR13XXXX

TABLA 4.3 MEDICIONES DIRECTAS EN EL MOTOR MEDICIONES EN EL TABLERO MUESTRAS ACELERACIÓN m/s2 _{MUESTRAS ACELERACIÓN m/s}2

1 2.23 1 0.08

2 2.17 2 0.05

3 2.17 3 0.05

4 2.14 4 0.02

5 2.43 5 0.02

6 2.38 6 0.05

7 2.25 7 0.07

8 2.25 8 0.05

9 2.40 9 0.05

10 2.41 10 0.03

11 2.19 11 0.02

12 2.18 12 0.06

13 2.36 13 0.01

14 2.35 14 0.05

15 2.36 15 0.05

16 2.25 16 0.04

17 2.19 17 0.07

18 2.40 18 0.02

19 2.41 19 0.06

20 2.38 20 0.01

21 2.39 21 0.01

22 2.24 22 0.03

23 2.35 23 0.04

24 2.33 24 0.04

25 2.28 25 0.05

26 2.32 26 0.03

27 2.35 27 0.08

28 2.35 28 0.07

29 2.18 29 0.08

30 2.30 30 0.06

31 2.28 31 0.05

32 2.33 32 0.07

33 2.40 33 0.04

34 2.36 34 0.02

GRÁFICA 4.1 Mediciones Directas al Motor (Buenas Condiciones).

GRÁFICA 4.2 Mediciones en el Tablero (Buenas Condiciones).

2.1 2.15 2.2 2.25 2.3 2.35 2.4 2.45 2.5

0 10 20 30 40

A CE LE R A CIÓN m /s2 MUESTRAS ACELERACIÓN m/s2 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09

0 10 20 30 40