UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN DISPOSITIVO EN UN
VEHÍCULO LIVIANO PARA IDENTIFICAR Y ANALIZAR
RUIDOS INTERNOS EN EL MOTOR DE COMBUSTIÓN A
GASOLINA
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
ALEX RUBÉN VELASTEGUI VINUEZA
DIRECTOR: ING. IVÁN YÁNEZ Msc.
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2017
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1716984354
APELLIDO Y NOMBRES: Velasteguí Vinueza Alex Rubén
DIRECCIÓN: Carcelén, Barrio Corazón de Jesús, Ambrosio Larrea, N82-185
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 023440871
TELÉFONO MOVIL: 0995365323
DATOS DE LA OBRA
TITULO:
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN DISPOSITIVO EN UN VEHÍCULO LIVIANO PARA IDENTIFICAR Y ANALIZAR RUIDOS
INTERNOS EN EL MOTOR DE COMBUSTIÓN A GASOLINA
AUTOR O AUTORES: Alex Rubén Velasteguí Vinueza
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN: 03 de marzo del 2017 DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN: Ing. Iván Yánez Msc.
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: Mínimo 250 palabras En el área de mantenimiento de automotores existen equipos y herramientas que son utilizados para el diagnóstico previo al realizar algún trabajo, pero existe el problema que no todo equipo puede llegar a un análisis más preciso sobre el problema.
Uno de los indicadores para asumir que el motor tiene alguna avería es el ruido. Pero no todos los ruidos son iguales, hay algunos que son escuchados con mayor intensidad, por esta razón la investigación se centralizó en la frecuencia y en la gráfica que producen después de ser guardados y comparados por medio de un dispositivo tecnológico.
Tomando en cuenta el aspecto del ruido, el presente proyecto de investigación tiene como finalidad el diseño e implantación de un dispositivo tecnológico que sea de gran
ayuda para los ingenieros y técnicos de mantenimiento de vehículos con motores de combustión interna a gasolina, a dar un diagnóstico más eficaz al momento que se presente el problema.
El dispositivo de medición de frecuencia de ruido está constituido por la placa electrónica STM32F746 Discovery que tiene como característica una pantalla táctil, la cual una vez realizada la programación se observa las gráficas en tiempo y en frecuencia, de igual manera se programa iconos que permite la grabación de señales para posteriormente ser analizadas. El dispositivo también consta de un micrófono digital que permite obtener el ruido emitidos por los motores. Como parte esencial se utiliza el software MATLAB donde se realiza el análisis de los datos enviados por el dispositivo para obtener un respuesta sobre la comparación de señales y así cumplir con el objetivo final que es dar un diagnostico básico sobre el funcionamiento del motor de combustión a gasolina. Al analizar las gráficas de ruido que emite los motores se llegar a conclusiones rápidas para determinar la falla o averías con asertividad y realizar el mantenimiento en menos tiempo.
El uso de equipos y herramientas que sean sofisticadas tecnológicamente es de gran ayuda para dar un diagnóstico eficaz por tanto hay beneficio en el factor económico y tiempo.
El dispositivo tiene grandes ambiciones para el futuro ya que se considera un proyecto a largo plazo en cual se puede ir desarrollando hasta conseguir su producción a gran escala.
PALABRAS CLAVES: Ruido, Frecuencia de ruido, Dispositivo STM32F746, MATLAB, Análisis de ruido, Sonido, Fenómenos del sonido
compared by means of a technological device.
Taking into account the noise aspect, this research project has as its purpose the design and implementation of a technological device that will be of great help to engineers and technicians of maintenance of vehicles with gasoline internal combustion engines, to give a diagnosis more effective the moment the problem occurs.
The electronic plate STM32F746 Discovery that has like a touch screen, which once realized the programming the graphs are observed in time and in frequency, just as it is programmed icons that allows the Signal recording for later analysis, constitutes the device of measurement of frequency of noise. The device also consists of a digital microphone that allows obtaining the noise emitted by the motors. As an essential part is used MATLAB software where the analysis of the data sent by the device is performed to obtain a response on the comparison of signals and thus meet the final objective that is to give a basic diagnosis on the operation of the combustion engine a gasoline. When analyzing the graphs of noise emitted by the engines, you can reach fast conclusions to determine the failure or failures with assertiveness and to perform the maintenance in less time.
The use of equipment and tools that are technologically sophisticated is of great help to give an effective diagnosis so there is profit in the economic factor and time.
The device has great ambitions for the future as it is considered a long-term project in which it can be developed to achieve its production on a large scale.
KEYWORDS Frequency of noise, Device STM32F746, MATLAB, Analysis of noise, Sound, Phenomena of the sound
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.
f: __________________________________________
VELASTEGUÍ VINUEZA ALEX RUBÉN
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, VELASTEGUI VINUEZA ALEX RUBÉN, CI: 1716984354 autor del proyecto titulado:
Diseño e implementación de un dispositivo en un vehículo liviano para identificar y analizar ruidos internos en el motor de combustión a gasolina previo a la obtención del título de INGENIERO AUTOMOTRIZ en la Universidad Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.
Quito, 03 de marzo del 2017.
f:__________________________________________
VELASTEGUÍ VINUEZA ALEX RUBEN
DECLARACIÓN
Yo ALEX RUBÉN VELASTEGUI VINUEZA, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_________________________
Alex Rubén Velasteguí Vinueza
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN DISPOSITIVO EN UN VEHÍCULO LIVIANO PARA IDENTIFICAR Y ANALIZAR RUIDOS INTERNOS EN EL MOTOR DE COMBUSTIÓN A GASOLINA, que, para aspirar al título de INGENIERO AUTOMOTRIZ fue desarrollado por ALEX RUBÉN VELASTEGUÍ VINUEZA, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e Industrias; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 19, 27 y 28.
___________________
Ing. Iván Yánez Msc.
DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
Dedico el presente trabajo de titulación principalmente a Dios, ya que gracias Él quien me ha provisto de vida y fortaleza para concluir mi carrera profesional.
A mis padres, porque ellos siempre me brindan su apoyo incondicional y sus consejos para ser de mí una mejor persona y gracias a ellos estoy logrando esta meta.
A mis hermanos, por sus palabras de ánimo que brindaron día a día en el transcurso de mi vida
A mi novia por su amor, confianza y palabras de apoyo constante para poder realizarme profesionalmente.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN 1
ABSTRACT 2
1. INTRODUCCIÓN 3
2. METODOLOGÍA 9
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 11
3.1. ECUACIONES DEL SONIDO 11
3.2. DISEÑO E IMPLANTACIÓN DEL DISPOSITIVO 13
3.3. PLACA ELECTRÓNICA 14
3.4. MICRÓFONO 19
3.4.1 INSTALACIÓN Y PROGRAMACIÓN 19
3.5. SOFTWARE MATLAB 22
3.6. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO 23
3.7. PROTOCOLOS DE MEDICIÓN 24
3.8. MEDICIÓN DE LA FRECUENCIA DE RUIDO 25
3.8.1 ESPECIFICACIONES DEL VEHÍCULO 25
3.8.2 ANÁLISIS DE LAS GRÁFICAS DE RUIDO 26
3.8.3 ANÁLISIS DE GRÁFICAS POR KILOMETRAJES 30
3.9. RESULTADO DE COMPARACIÓN 36
3.9.1 COMPARACIÓN DE LAS SEÑALES 36
3.9.1.1 Resultado del algoritmo de comparación 37
3.9.2 DIAGNÓSTICO CON EL DISPOSITIVO 38
3.9.3 RUIDOS GENERADOS EN MOTORES 40
3.9.4 ANÁLISIS DE LA FRECUENCIA DE RUIDO 41
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 44
4.1. CONCLUSIONES 44
4.2. RECOMENDACIONES 46
5. BIBLIOGRAFÍA 47
ii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Tabla de Velocidad del sonido en materiales 6
Tabla 2. Datos obtenidos de Frecuencia-Periodo 12
Tabla 3. Especificaciones del kia Sportage Active 26 Tabla 4. Gráficas de frecuencia de ruido con fallas 30
Tabla 5. Comparación de señales visualmente 39
Tabla 6. Múltiplos y elementos del motor 42
Tabla 7. Frecuencia a 890 rpm y 2500 rpm 43
iii
ÍNDICE DE FIGURAS
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Figura 1. Diagrama de onda Longitud de onda y amplitud 5
Figura 2. Frecuencia de onda 5
Figura 3. Sistema de interferencia de onda de sonido 7 Figura 4. Esquema de reflexión y refracción de una onda sonora 8 Figura 5. Esquema de funcionamiento del dispositivo 13 Figura 6. Diagrama de flujos del dispositivo para medición de ruido 14
Figura 7. Dispositivo STM32F746 15
Figura 8. Diagrama de bloques del hardware STM32F746 16 Figura 9. Diseño posterior de la Placa electrónica STM32F746 17 Figura 10. Diseño real frontal de la Placa electrónica STM32F746 18
Figura 11. Micrófono Digital y sus partes 19
Figura 12. Instalación del micrófono a la placa electrónica 20 Figura 13. Librerías de programación para el dispositivo 20 Figura 14. Software Keil µVision para programar STM32 21
Figura 15. STM32F746 terminada la programación 21
Figura 16. Interface para conexión computadora y dispositivo 22 Figura 17. Resultados de programación en Matlab 23 Figura 18. Pruebas de funcionamiento de la STM 32F746 23 Figura 19. Conexión del dispositivo a la computadora 24
Figura 20. Kia Sportage Active 20014 25
Figura 21. Grabación de la señal de ruido 26
Figura 22. Envío de datos de las señales guardadas 27 Figura 23. Análisis de las gráficas de ruido en MATLAB 27 Figura 24. Patrón de ruido de un auto con motor estándar 28 Figura 25. Gráfica de vehículo con 5000 km en ralentí 28 Figura 26. Gráfica de vehículo con 5000 km a 2500 RPM 29
Figura 27. Frecuencia de ruido a 10000 Km 31
Figura 28. Frecuencia de ruido a 20000 Km 31
Figura 29. Frecuencia de ruido a 30000 Km 32
Figura 30. Frecuencia de ruido a 40000 Km 32
Figura 31. Frecuencia de ruido a 50000 km 33
Figura 32. Frecuencia de ruido a 60000 Km 33
Figura 33. Frecuencia de ruido a 70000 Km 34
Figura 34. Frecuencia de ruido a 80000 Km 34
Figura 35. Frecuencia de ruido a 90000 Km 35
Figura 36. Frecuencia de ruido a 100000 Km 35
iv
Figura 40. Presentación de gráficas en MATLAB 39
Figura 41. Fuentes de ruido 40
Figura 42. Emisión del ruido en un motor de combustión interna 41
v
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO 2. Programación del dispositivo STM32F746 Discovery 49 ANEXO 3. Programación Matlab para comparación de señal 52
ANEXO 4. Manual de la STM32F746 Discovery 53
ANEXO 5. Esquema eléctrico de la STM32F746 Discovery 56
ANEXO 6. Dimensiones de la STM32F746 Discovery 58
1
RESUMEN
En el área de mantenimiento de automotores existen equipos y herramientas que son utilizados para el diagnóstico previo al realizar algún trabajo, pero existe el problema que no todo equipo puede llegar a un análisis más preciso sobre el problema.
Uno de los indicadores para asumir que el motor tiene alguna avería es el ruido. Pero no todos los ruidos son iguales, hay algunos que son escuchados con mayor intensidad, por esta razón la investigación se centralizó en la frecuencia y en la gráfica que producen después de ser guardados y comparados por medio de un dispositivo tecnológico.
Tomando en cuenta el aspecto del ruido, el presente proyecto de investigación tiene como finalidad el diseño e implantación de un dispositivo tecnológico que sea de gran ayuda para los ingenieros y técnicos de mantenimiento de vehículos con motores de combustión interna a gasolina, a dar un diagnóstico más eficaz al momento que se presente el problema.
El dispositivo de medición de frecuencia de ruido está constituido por la placa electrónica STM32F746 Discovery que tiene como característica una pantalla táctil, la cual una vez realizada la programación se observa las gráficas en tiempo y en frecuencia, de igual manera se programa iconos que permite la grabación de señales para posteriormente ser analizadas. El dispositivo también consta de un micrófono digital que permite obtener el ruido emitidos por los motores. Como parte esencial se utiliza el software MATLAB donde se realiza el análisis de los datos enviados por el dispositivo para obtener un respuesta sobre la comparación de señales y así cumplir con el objetivo final que es dar un diagnostico básico sobre el funcionamiento del motor de combustión a gasolina. Al analizar las gráficas de ruido que emite los motores se llegar a conclusiones rápidas para determinar la falla o averías con asertividad y realizar el mantenimiento en menos tiempo.
El uso de equipos y herramientas que sean sofisticadas tecnológicamente es de gran ayuda para dar un diagnóstico eficaz por tanto hay beneficio en el factor económico y tiempo.
El dispositivo tiene grandes ambiciones para el futuro ya que se considera un proyecto a largo plazo en cual se puede ir desarrollando hasta conseguir su producción a gran escala.
2
ABSTRACT
In the area of automotive maintenance, there are equipment and tools that are used for the prior diagnosis when doing some work, but there is the problem that not every team can get a more accurate analysis of the problem.
One of the indicators to assume that the engine has some fault is the noise. Nevertheless, not all the noises are the same, there are some that are heard with greater intensity, for this reason the investigation was centered in the frequency and the graph that they produce after being saved and compared by means of a technological device.
Taking into account the noise aspect, this research project has as its purpose the design and implementation of a technological device that will be of great help to engineers and technicians of maintenance of vehicles with gasoline internal combustion engines, to give a diagnosis more effective the moment the problem occurs.
The electronic plate STM32F746 Discovery that has like a touch screen, which once realized the programming the graphs are observed in time and in frequency, just as it is programmed icons that allows the Signal recording for later analysis, constitutes the device of measurement of frequency of noise. The device also consists of a digital microphone that allows obtaining the noise emitted by the motors. As an essential part is used MATLAB software where the analysis of the data sent by the device is performed to obtain a response on the comparison of signals and thus meet the final objective that is to give a basic diagnosis on the operation of the combustion engine a gasoline. When analyzing the graphs of noise emitted by the engines, you can reach fast conclusions to determine the failure or failures with assertiveness and to perform the maintenance in less time.
The use of equipment and tools that are technologically sophisticated is of great help to give an effective diagnosis so there is profit in the economic factor and time.
The device has great ambitions for the future as it is considered a long-term project in which it can be developed to achieve its production on a large scale.
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1. INTRODUCCIÓN
Los motores de combustión a gasolina están compuestos por elementos con aleaciones metálicas, por ende existe fricción y movimiento en el interior del motor que producen sonido como es el árbol de levas, cigüeñal, los brazos de biela, los bulones y cojinetes. De la misma manera hay partes que son esenciales para el funcionamiento del motor como son las bandas de distribución, piñones, rodamientos, entre otros, produciendo sonidos que al intensificarse producen una resonancia desagradable más conocida como ruido. Estos ruidos pueden llegar a considerarse como un problema en el buen funcionamiento del motor.
Cuando se origina el ruido en el motor a gasolina se puede asumir que existe un problema interno que deteriorará su buen funcionamiento; un ejemplo claro es cuando no existe una presión exacta en el sistema de lubricación, por lo que esto genera mayor fricción y este origina ruido. En este caso se debe realizar un seguimiento y diagnóstico adecuado para evitar daños futuros. Existen herramientas que son utilizadas para detectar ruidos, y uno de los instrumentos es el estetoscopio automotriz, similar a los utilizados por los médicos, la principal función del instrumento es amplificar el sonido o ruido por medio de una varilla metálica que se le aproxima al motor en funcionamiento. La experiencia y preparación del mecánico determinará si es necesario realizar un mantenimiento preventivo o correctivo.
El problema radica cuando el mecánico (técnico) proporciona el diagnóstico de una manera empírica, solo con el sentido del oído que le permite identificar el ruido. Se toma en cuenta que el margen de error al diagnosticar con el estetoscopio automotriz es mayor por lo que no se llegará a encontrar el origen del ruido del motor.
Al no existir un desarrollo de dispositivos que pueda identificar y analizar el ruido de una manera técnica, tecnológica y con más precisión en la industria automotriz puede ocasionar problemas al momento de dar un diagnóstico, la cual puede causar un retraso en el trabajo.
Por esta razón se propone realizar el diseño e implementación de un dispositivo electrónico que ayude a identificar fallas por medio de las frecuencias de ruidos internos de los motores de combustión a gasolina, la cual permita realizar un diagnóstico preciso y técnico. De igual manera el desarrollo del proyecto de titulación da como resultado un avance tecnológico que aporta con el progreso de la industria automotriz y a la vez de la matriz productiva del Ecuador.
El objetivo general del trabajo de titulación es diseñar e implementar un dispositivo en un vehículo liviano para identificar y analizar ruidos internos en el motor de combustión a gasolina.
4 de ruidos, en donde se investigara sobre los conceptos de frecuencia de sonido y los aparatos e instrumentos que existen para diagnóstico el ruido del motor a gasolina.
El segundo objetivo es diseñar y seleccionar los elementos para el dispositivo electrónico que mediante sensores de sonido permitirá identificar las frecuencias de sonido emitidas. El elemento principal es la placa electrónica donde se establecerá el lenguaje de programación para el funcionamiento correcto del dispositivo.
El siguiente objetivo es la implementación del dispositivo electrónico en un vehículo liviano para llegar a identificar las frecuencias de ruido internas, por medio de la comparación de las ondas.
Por último, con la comparación de ruidos se obtendrá el análisis de los tipos de ruido que existen en el motor de combustión a gasolina con el dispositivo electrónico de medición de ruido para realizar diagnósticos básicos.
El desarrollo del proyecto aborda con conceptos básicos sobre el sonido y la diferencia que existe con el ruido. Para la detección de sonidos existen equipos como el sonómetro, decímetro y el medidor de frecuencias de onda que son utilizados especialmente para la mediación de ruidos ambientales. En la industria automotriz el instrumento más utilizado es el estetoscopio, que es similar a los utilizados por los médicos.
Para la medición de ruido se utiliza un analizador de frecuencia también conocido como analizador de espectros. La señal que aporta el micrófono se procesa mediante filtros que actúan a frecuencias predeterminadas, valorando el contenido energético del sonido (Miranda, 2002).
El sonido es la sensación percibida por el oído humano como resultado de variaciones rápidas de la presión en el aire, en otras palabras, es la vibración mecánica de un medio elástico gaseoso, liquido o sólido, a través de cual se trasmite la energía desde la fuente por ondas sonoras (Tribaldos, 1999). En la física del sonido se denomina como un fenómeno que incluye la propagación de la onda longitudinal, que genere vibraciones que sean audibles (Young & Freedman, 2009). Como afirma el Instituto Nacional de seguridad e higiene en el trabajo (2006), se define al sonido como un fenómeno vibratorio que a partir de una perturbación inicial del medio elástico se puede producir y propagar bajo la forma de una vibración periódica de presión en el factor sobre la presión atmosférica y que puede ser percibida por el oído humano.
5
Figura 1. Diagrama de onda Longitud de onda y amplitud (Serway, 2013)
Serway, (2013) en su libro Física para ciencias e ingenierías, establece la ecuación 1 para realizar el cálculo de la longitud de la onda.
V / f = 2π C / [1] Donde:
Longitud de onda
V: Velocidad del sonido
f : Frecuencia
: Frecuencia Angular
La Frecuencia es el número de repeticiones de un suceso periódico en un determinado tiempo. La frecuencia tiene una relación inversa con la longitud de onda, como se observa en la figura 2, que a mayor frecuencia menor longitud de onda y viceversa (Casadevall, 2008).
Figura 2. Frecuencia de onda (Casadevall, 2008).
6 La unidad utilizada para el periodo son los segundos.
𝑓 =
1𝑇 [2]
Donde:
𝑓
: Frecuencia𝑇: Periodo (tiempo)
Como afirma Serway (2013), la velocidad de una onda de sonido en un fluido depende de compresibilidad e inercia, por lo tanto la velocidad de propagación del sonido depende del material en donde es trasmitido. A continuación en la tabla 1 se observa las velocidades del sonido en diferentes medios.
Tabla 1. Tabla de Velocidad del sonido en materiales
Medio Temperatura Velocidad (m/s) Gases
Aire 20°C 343
Aire 0° C 331
Aire 100° C 386
Hidrogeno 0° C 1286
Oxigeno 0° C 317
Helio 0° C 972
Líquidos
Agua 25°C 1493
Alcohol metílico 25°C 1143
Agua de mar 25°C 1533
Solidos: La velocidad del sonido depende del tamaño de la varilla.
Aluminio 6420
Madera 3700
Acero-hierro 5950
Cobre (enrollado) 5010
Plomo (enrollado) 1960
Caucho vulcanizado 1600
(Sarway, 2013)
Serway (2013). Para realizar el cálculo de la velocidad de sonido en diferentes materiales se utiliza la ecuación 3 y la unidad es en metros sobre segundos.
𝑣 = √
𝑌𝑝 [3]Donde:
7 La dirección de onda del sonido va a diferentes lugares y depende de su ubicación, estos fenómenos tienen nombre propio como interferencia de onda de sonido, resonancia, reflexión y refracción.
La interferencia de onda es la intercalación de dos o más ondas y producto de eso da como resultado una onda diferente. Este fenómeno se puede demostrar con el aparato que se muestra en la figura 3, donde el sonido se divide y sigue dos trayectorias separadas, como lo indican las flechas rojas; la mitad del sonido se dirige hacia la parte superior y la otra mitad a la parte inferior. Finalmente, los dos sonidos se unen en una abertura donde una persona coloca su oído. La reunión de dos ondas produce interferencia constructiva por lo tanto se escucha un sonido fuerte (Serway, 2013).
Figura 3. Sistema de interferencia de onda de sonido (Serway, 2013).
La resonancia por definición se concibe por la repercusión de un sonido emitido por otro, como un reflejo, además de que se puede saber que es la prolongación del sonido y este va disminuyendo. La resonancia es un fenómeno que se produce cuando coincide la fuerza propia de un sistema mecánico con la frecuencia de una excitación externa (Serway, 2013).
La reflexión es un fenómeno del sonido que se originan cuando las ondas en su medio de propagación se encuentran con un objeto sólido como puede ser una pared, el piso u objetos de metal, el cual se produce un rebote, como es el de la luz en la misma situación, con los ángulos de incidencia y reflexión del mismo valor. Este fenómeno provoca que el oyente perciba el flujo directo y el reflejo (Perales, 2014).
8 de la reflexión y refracción en un material solido ; (1) rayo sonoro incidente, (2) rayo sonoro reflejado, (3) rayo sonoro refractado, (4) rayo reflejado del refractor que es energía absorbida por el material sólido y (5) rayo sonoro trasmitido (Perales, 2014).
Figura 4. Esquema de reflexión y refracción de una onda sonora (Perales, 2014).
El ruido es un sonido desagradable y por lo tanto es incómodo para el ser humano. La diferencia entre sonido y ruido radica, que el primero puede ser cuantificado, mientras el segundo es un fenómeno subjetivo (Cortez, 2009). Al ruido se lo define como un sonido que molesta que causan daño en algunos órganos auditivos. Por lo tanto se determina que tanto el sonido como el ruido son combinaciones de tonos de diferente frecuencia y como dato impórtate el sistema auditivo capta de entre 20 a 20.000 Hz en frecuencia (Tolosa, 2008). En los motores de combustión interna existen varios ruidos, pero depende de algunos factores como es el giro del motor al mismo ritmo o ritmo independientes de giro, el ruido se oye a cada vuelta del cigüeñal o a cada dos vueltas y el ruido se oye con cada combustión. Los ruidos varían según la ubicación de cada parte y si el ruido se amplifica con mayor frecuencia puede llegar a causar daños en el motor dando a un mantenimiento correctivo. En la actualidad existes sistemas para el procesamiento del ruido que ayudan la creación de aparatos de medición y diagnóstico. El sistema integrado es un sistema de computadora que contiene funciones aplicadas a la mecánica o eléctrica. Los sistemas integrados hoy en día tiene como base los microprocesadores y microcontroladores, por lo cual la clave principal de estos sistemas es desarrollar funciones específicas. Los diseñadores de circuitos llegan a optimizar estos sistemas, reducir el tamaño y el costo, para incrementar la confiabilidad y el desempeño de los mismos. Los sistemas integrados en su mayoría usan versiones de sistemas operativos para cumplir su funciones: Linux, Windows, Mac (Richards, 2014).
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2. METODOLOGÍA
Para la realización de la investigación se utilizó métodos de investigación como el método inductivo y de campo porque se analizó conocimientos que son aplicados en la industria automotriz. Además, se recopiló y analizó las fuentes bibliográficas ya existentes como proyectos afines y fundamentos físicos referentes al tema en la cual se obtendrá conocimientos sobre los diferentes dispositivos tecnológicos que existen para la medición de frecuencia de ruido, de igual manera se conocerá sobre los conceptos del sonido para determinar la frecuencia de onda de ruido que puede emitir un motor de combustión interna, lo que le dio a la investigación un enfoque de bibliográfico documentado.
Con los datos adquiridos se llegó a la metodología experimental que se utilizó para cumplir el objetivo del proyecto, por lo tanto hubo un diseño, una construcción, una implantación del dispositivo para la medición de frecuencia de ruido, donde se alcanzó datos de funcionamiento del prototipo para finalmente documentar y analizar los resultados con las conclusiones de las pruebas, llegando a un diagnóstico básico.
Con base en la información se inició desde la teoría de dispositivos electrónicos y de frecuencia de ruido hasta llegar a la experimentación en el vehículo. Se realizó un prototipo con la placa electrónica con código STM32F746 en donde se verificó su funcionalidad y acoplamiento para la medición de ruidos. Se diseñó y construyó el modelo de pruebas y finalmente se llegó al dispositivo final.
Los principales elementos empleados en el desarrollo del dispositivo final se lo cita a continuación:
Para el diseño del dispositivo se utilizó una placa electrónica STM32F746 Discovery el cual consta de una pantalla táctil donde se puede observar las gráficas de la frecuencia de onda del ruido.
El micrófono estará instalado en la placa electrónica, será el medio por el cual el ruido del motor ingresará a la placa electrónica y será guardada, para luego ser analizada en la computadora.
El vehículo seleccionado para la medición es un KIA modelo Sportage Active.
Las señales de ruido serán guardadas y procesadas por medio de conexión a una computadora portátil. El software para el análisis de las frecuencias de ruido es MATLAB, el cual estará instalado en la computadora.
10 Se realizó el análisis del dispositivo con cálculos para determinar factores considerables previo a la para la medición del ruido en el motor de combustión interna, por lo cual se utilizó las siguientes ecuaciones.
Se obtuvo la longitud de onda para determinar la distancia entre picos de la onda, para este cálculo se utilizó la ecuación 1.
De igual forma para el cálculo del periodo de onda del ruido se utilizó la ecuación 2 considerando que la frecuencia es el número de ciclos que se realizan por segundo. Por tanto es la inversa del periodo. Para realizar el cálculo de la frecuencia fundamental se utilizó una regla de tres tomando en cuenta que 1Hz es igual a 60 rpm.
Se consideró la velocidad del sonido para el cálculo ya que el sonido que producen los motores de combustión interna se trasporta por medio de un material sólido para lo cual se utilizó la ecuación 3.
Los cálculos están relacionados con el motor del vehículo que se utilizará para la medición del ruido.
Al implementar el dispositivo electrónico de medición de ruido en un vehículo liviano se obtuvo las frecuencias de onda la cual se analizará los tipos de ruido que existen en el motor. Por lo que el proyecto está enfocado al diseño e implementación de un dispositivo electrónico para la identificación y análisis de las frecuencias de ruido internas que produce el motor de combustión a gasolina de un vehículo liviano
11
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Como punto inicial se deberá tener muy claro los conceptos de tiempo y frecuencia de ruido. Los motores de combustión interna y específicamente los de funcionamiento a gasolina producen una gran cantidad de ruidos que son provocados por las partes móviles y fijas del motor al friccionarse. Pero hay diferencia de ruido entre un motor nuevo y un motor que ya tiene un cierto kilometraje ya que existe un desgaste de las partes que están en movimiento. Las frecuencias de ruido que emiten los motores usados son variadas y llegan a determinar problemas, el análisis del ruido es muy importante para identificar las fallas, y poder dar una pronta solución.
La comparación entre la frecuencia de ruido en motor nuevo y usados darán un diagnóstico básico.
3.1. ECUACIONES DEL SONIDO
Con las ecuaciones se pueden llegar a determinar la medida de emisión del sonido. En el libro los fundamentos de la física ecuaciones para cálculos matemáticos del sonido, principalmente la frecuencia de sonido, el período, la velocidad del sonido en material.
La velocidad del sonido es la propagación de la onda de sonido. Con los cálculos matemáticos se obtendrá la velocidad del sonido a través de un material, en este caso el sonido se propaga a través del cabezote del motor de combustión interna el cual es de aleación de aluminio. El cálculo se lo realizará con la ecuación 3 anteriormente mencionada en la introducción. El módulo de Young y la densidad de la aleación de aluminio son:
Y
: 70000 MPa = 7 x1010 N/m2p
: 2,7 g/cm3 = 2,7 x103 kg/m3𝑣 = √
𝑌
𝑝
𝑣 = √
7 × 10
10𝑁/𝑚
22,7 × 10
3𝑘𝑔/𝑚
3𝑣 = √2,59 × 10
7𝑚
2/𝑠
2= 5089 𝑚 𝑠
⁄
Como resultado del cálculo se obtuvo que la velocidad del sonido en aluminio es de 5089 m/s, el cual es importante para lograr nuevo resultados.
12 algoritmo de FFT (Trasformada Rápida de Fourier), el cual se mostrará la gráfica. Su importancia radica en el hecho que elimina una gran parte de los cálculos repetitivos que está sometida, por lo tanto se logra un cálculo más rápido. La implementación del algoritmo FFT se las realiza de dos formas, la primera es por medio de un programa que se ejecuta en una computadora y el segundo es por medio del desarrollo de una tarjeta electrónica como es el caso de los analizadores de espectros. El delimitante de este proyecto de titulación solo es conocer el algoritmo que se utilizó para la comparación de señales.
Los cálculos se realizaron en el software con una frecuencia de muestreo de 100 Hz hasta 500 Hz.
El Período (T) es el tiempo transcurrido entre dos picos o senos sucesivos. En la ecuación 2 el período se relaciona con la frecuencia mediante la expresión matemática, para realizar los cálculos respectivos.
𝑓 =1
𝑇 ←→ 𝑇 = 1 𝑓
𝑇 = 1
100 𝐻𝑧= 0,01 𝑠
𝑇 = 1
200 𝐻𝑧= 0,005 𝑠
𝑇 = 1
300 𝐻𝑧 = 0,0033 𝑠
𝑇 = 1
400 𝐻𝑧 = 0,0025 𝑠
𝑇 = 1
500 𝐻𝑧= 0,002 𝑠
En la tabla 2 se indica los resultados del tiempo trascurrido entre picos sucesivos de la señal en diferentes frecuencias.
Tabla 2. Datos obtenidos de Frecuencia-Periodo
Frecuencia ( HZ) Periodo (segundos)
100 0,01
200 0,005
300 0,0033
400 0,0025
500 0,002
13 La longitud de onda hace referencia a la distancia entre senos sucesivos en una onda, se relaciona con la frecuencia como se describe en la ecuación 1. Se tomará como datos la velocidad de sonido anteriormente deducida, con una frecuencia de muestreo de 100 Hz a 500 Hz.
v / f
50, 89 cm/s / 100 Hz =0,508 cm
50, 89 cm/s / 200 Hz =0,254 cm
50, 89 cm/s / 300 Hz =0,169 cm 50, 89 cm/s / 400 Hz =0,127 cm
50, 89 cm/s / 500 Hz =0,101 cm
Con las respuestas obtenidas se pudo deducir que cuando se tiene una frecuencia de onda baja a una misma velocidad la longitud de onda es más larga.
3.2. DISEÑO E IMPLANTACIÓN DEL DISPOSITIVO
El esquema a seguir para la medición del ruido en un motor de combustión interna se visualiza en la figura 5, en donde se observa todos los elementos que son utilizados para llegar al objetivo del proyecto.
Figura 5. Esquema de funcionamiento del dispositivo
Motor de combustión interna
Señales de ruido guardas y Analizadas Micrófono
Computadora con programa MATLAB
Dispositivo STM32F746 Discovery
14 Para diagnosticar la frecuencia del ruido se lo dividió en dos partes. La primera parte es la placa electrónica STM32F746 Discovery y un micrófono digital para circuitos impresos. La segunda parte es conectando el dispositivo STM32F746 Discovery a una computadora la cual contiene el software MATLAB, en donde se analizará y dará una respuesta para el diagnóstico. En la figura 6 se indica el diagrama de flujos que se utilizó para el diseño del dispositivo para el análisis de la frecuencia de ruido.
Figura 6. Diagrama de flujos del dispositivo para medición de ruido
3.3. PLACA ELECTRÓNICA
La placa electrónica STM32F746 es de alto rendimiento con un núcleo RISC-M7 de 32 bits que funciona con 216 MHz de frecuencia, implementa un conjunto de instrucciones DSP y una unidad de protección de memoria (MPU)
Ruido obtenido
Computadora
Respuesta de Diagnostico
Ruido estándar guardado
Software
STM32F746 Discovery
MATLAB Analizar Señales
de ruido
15 que mejora la seguridad de la aplicación. Cuenta con una pantalla táctil LCD a color de 4.3 pulgadas, dos micrófonos MEMS ST incorporados en la placa electrónica (STMicroelectronics; 2015). La placa electrónica es capaz de procesar entradas de sonido por tanto es la mejor opción para la construcción del dispositivo.
En la figura 7 se visualiza la placa electrónica de manera real tanto frontal como posterior. Los periféricos de la STM32F746 constan de SDRAM, memoria flash Quad-SPI, módulo para cámara, conectores USB OTG, USART, Ethernet, Audio, SPDIFRX, Tarjeta micro SD, Arduino Uno escudos y ST-LINK incrustado.
16 De las partes del hardware solo se utilizó la pantalla táctil, la entrada del micro SD para guardar las gráficas, y la conexión del micrófono.
En la figura 8 se observa un diagrama de bloques del hardware de la placa electrónica donde se aprecia de una forma sencilla la estructura que conforman el dispositivo.
La figura indica los valores de funcionamiento del circuito; el valor importante es la energía con la que trabaja que es de 3.3 voltios, en donde la fuente de poder se la obtiene de la misma computadora a la que se conecta para enviar los datos para comparar.
17 En la figura 9 se indica la ubicación exacta de cada parte del dispositivo STM 32F746 Discovery de la parte posterior. El circuito es muy complejo y todas sus partes son ensambladas en laboratorios sofisticados para eliminar fallos en el funcionamiento.
Figura 9. Diseño posterior de la Placa electrónica STM32F746 (www.st.com/Hardware layout and configuration; 2015)
El dispositivo STM32F7 cuenta con un microcontrolador de serie 32 bits ARM Cortex-M7, de la empresa fabricante STMicroelectronics.
18 Cortex-M7 núcleo, sin tener en cuenta si el código se ejecuta desde Flash incrustado o la memoria externa. Las cifras de rendimiento típico: 1082/462 CoreMark DMIPS en frecuencia de reloj 216MHz (www.st.com, 2015). En la figura 10 se observa la parte frontal de la placa electrónica, la cual se encuentra la pantalla LCD.
Figura 10. Diseño real frontal de la Placa electrónica STM32F746 (www.st.com/Hardware layout and configuration; 2015)
19 Para la codificación de la placa electrónica STM32F746 Discovery se utiliza el software Keil µVision el cual contiene todas las librerías para acceder al sistema operativo y empezar la programación para el funcionamiento.
3.4. MICRÓFONO
Para captar el ruido que emite el motor de combustión de interna se empleará un micrófono del tipo digital a base del compuesto de silicio de cuarta generación; son usados generalmente en teléfonos celulares, cámaras fotográficas y en dispositivos portátiles (Pallás, 2007).
Su principal característica es el tamaño lo cual son más pequeños que los comunes y la ventaja es la entrada de señal digital, eliminando los costos de fabricación y de consumo. Los micrófonos se pueden acoplar con mayor facilidad a software y a circuitos electrónicos para su mayor rendimiento. En la figura 11 se indica un micrófono digital el que se utilizará para la medición del ruido.
Figura 11. Micrófono Digital y sus partes (http://www.clangsm.com/; 2010)
3.4.1 INSTALACIÓN Y PROGRAMACIÓN
Antes de empezar con la programación del dispositivo, se instaló el micrófono de tipo digital en la placa electrónica, como se indica en la figura 12 tomando en cuenta la ubicación del conector del positivo, la tierra y la señal.
20
Figura 12. Instalación del micrófono a la placa electrónica
El siguiente paso es la programación de la placa electrónica, obteniendo las librerías correspondientes. En la figura 13 se observa las librerías de la pantalla touch, librería FFT, pantalla LCD, el ADC que es para la lectura del micrófono, librería para la tarjeta micro SD y la conexión serial USART.
Figura 13. Librerías de programación para el dispositivo
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Figura 14. Software Keil µVision para programar STM32
Al terminar la programación, el resultado en la STM32F746 es la que se visualiza en la figura 15 donde consta las señales de la frecuencia de onda, botones para grabación de patrón, error 1, error 2 y envíos de señal.
Figura 15. STM32F746 terminada la programación
22 del USB, es compatible para Windows XP, 7 y 8, se puede encontrar en www.st.com.
Figura 16. Interface para conexión computadora y dispositivo
3.5. SOFTWARE MATLAB
Para llegar a cumplir con el objetivo de dar un diagnóstico sobre las fallas de los motores de combustión interna por medio de la comparación de las ondas de frecuencia de ruido, se establece la utilización del software MATLAB, ya que cuenta con todas las herramientas necesarias para realizar gráficas y cálculos matemáticos como también la realización de proyectos.
La utilización del software MATLAB para el análisis de las ondas de frecuencia de ruido es la mejor opción ya que es un entorno de computación y desarrollo de aplicaciones totalmente integradas, el cual permite tener resultados acertados, por lo tanto ayudará al ingeniero o técnico encargado del mantenimiento dar un diagnóstico y a la vez las posibles soluciones.
Para obtener la comparación y el análisis de la frecuencia del ruido que produce el motor de combustión a gasolina se utilizará el software antes mencionado. El software permite realizar gráficas del ruido obtenidas en el momento de la medición y comparar con las guardadas. Es de uso fácil y compatible con el dispositivo STM32F746 Discovery. Una vez que el programa realiza la comparación, la respuesta regresa al dispositivo para así obtener el diagnostico básico. En la figura 17 se visualiza el software Matlab con el resultado de la programación y la conexión al dispositivo.
23 La programación se la puede ubicar en el anexo 2, en donde se describe paso a paso.
Figura 17. Resultados de programación en Matlab
3.6. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
Una vez terminado la programación tanto para el dispositivo y para MATLAB se realizó las pruebas de funcionamiento.
La placa electrónica STM32F746 se le somete a pruebas básicas para que logre distinguir los ruidos. En la figura 18 se observa el resultado cuando se coloca un sonido directo en el micrófono, y el primer indicio para verificar que la programación es correcta está en la pantalla donde se observa la gráfica tanto del tiempo y frecuencia. Se guarda la señal patrón, error 1 y error 2; para realizar la comparación, de igual manera se guarda la señal de ruido que será analizada. Se envía los datos a la computadora portátil que contiene el programa MATLAB.
24 Cuando se envía los datos para el análisis en el software de la computadora, se abrirá dos pantallas, en la que se tendrá la programación y en la siguiente pantalla se observa el resultado del análisis de comparación entre las gráficas guardadas. En la figura 19 se observa el resultado una vez enviado los datos a la computadora y la forma de onda que se obtiene para el análisis.
Figura 19. Conexión del dispositivo a la computadora
Los ruidos que se analizaron para la prueba de funcionamiento son externos del motor de combustión interna, pero fueron útiles para realizar los primeros ensayos. La forma de asegurar de que la programación y el dispositivo no tiene errores, es guardando tres señales patrones y medir la señal con un ruido similar a los patrones. Las respuesta de las comparaciones entre señales de frecuencia se obtendrá en el dispositivo y en el software; la respuesta en MATLAB mostrará gráficas en la cual el ingeniero o técnico tendrá la capacidad de observar y distinguir las ondas de frecuencia para así llegar a una conclusión.
3.7. PROTOCOLOS DE MEDICIÓN
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Conexión del dispositivo a una fuente de poder, en este caso puede ser a la computadora portátil mediante un cable USB.
Colocar el micrófono a una distancia de 1,5 cm con respecto al motor y en dirección al cabezote.
Encender el vehículo y esperar unos 5 minutos antes de captar la señal con el dispositivo. El tiempo de espera se lo realiza para tener estabilidad en el funcionamiento del motor y no tener mediciones erróneas.
Para la medición del ruido en el estado de 2500 RPM se espera 1 minuto hasta estabilizar el funcionamiento del motor.
Grabar y guardar la señal en el dispositivo y en enviar los datos a la computadora.
Una vez realizado el análisis, la computadora enviará el resultado de la comparación al dispositivo y se obtendrá la posible avería, y como resultado final el técnico de mantenimiento dará las posibles soluciones. Nota: Las pruebas se las puede realizar en otras partes del motor como pueden ser en el block o en el cárter, aunque tomando en cuenta los ruidos patrones anteriormente guardados para que pueda tener un resultado verídico.
3.8. MEDICIÓN DE LA FRECUENCIA DE RUIDO
Para llegar a cumplir con el objetivo del trabajo de titulación las pruebas se realizarán en un vehículo con el motor de combustión interna a gasolina.
3.8.1 ESPECIFICACIONES DEL VEHÍCULO
Las mediciones del ruido se realizaron en un vehículo de la empresa fabricante KIA, en la figura 20 se observa el modelo Sportage Activo.
Figura 20. Kia Sportage Active 20014 (www.kia.com.ec, 2016)
26 ruido. Para cumplir con el objetivo del proyecto de titulación el vehículo debe funcionar con el combustible de gasolina, ya que en este modelo también hay motores que funcionan con combustible diésel.
Tabla 3. Especificaciones del kia Sportage Active
Cilindrada (cm³) 1975
Potencia máxima (ps@rpm) 142 a 6000 RPM
Torque máximo (kg.m@rpm) 18,8 a 4500 RPM Sistema de válvulas 16 válvulas CVVT
Combustible Gasolina
Capacidad del tanque de gasolina 15,32 galones
SUSPENSIÓN
Delantera McPherson con resortes
Posterior Doble brazo y barra estabilizadora
Amortiguadores A Gas
Neumático 215/65 R16
DIRECCIÓN
Tipo Piñón y Cremallera
Asistencia Servoasistida hidráulica
FRENOS
Tipo Doble diagonal independiente
Delantera Disco ventilado
Posterior Tambor
(www.kia.com.ec, 2016)
3.8.2 ANÁLISIS DE LAS GRÁFICAS DE RUIDO
Para realizar el análisis de la frecuencia de ruido en los vehículos seguiremos los protocolos de medición. Conectado el dispositivo a la computadora y el micrófono colocado en el lugar, se procede a la medición. En la figura 21 se observa al dispositivo grabar y guardar la señal del ruido.
27 Una vez grabada y guardada la señal de ruido se envía los datos a la computadora que tiene el software MATLAB para la comparación. En la figura 22 se observa el envió de la señal del dispositivo al software.
Figura 22. Envío de datos de las señales guardadas
Los datos se observan en la pantalla de la computadora, obteniendo las formas de onda del ruido y la comparación de las señales anteriormente guardadas como se indica en la figura 23.
Figura 23. Análisis de las gráficas de ruido en MATLAB
Las pruebas son realizadas a un vehículo nuevo, en funcionamiento de ralentí, a 2500 RPM y kilometraje de 5000 Km hasta los 100000 Km
28 la frecuencia de ruido antes que el automotor tenga recorrido y así obtener una base de datos para después realizar las comparaciones y dar un diagnóstico base. En la figura 24 se observa la forma de onda de la frecuencia de ruido cuando el automóvil es nuevo (estándar), en donde se aprecia que no tiene picos muy altos, por tanto no tiene problemas de fallo. La gráfica es un patrón para comparar con las siguientes.
Figura 24. Patrón de ruido de un auto con motor estándar
En la figura 25 se observa la forma de onda cuando el vehículo tiene 5000 Km de recorrido y en funcionamiento de ralentí, considerando que el vehículo se lo hizo el mantenimiento preventivo correspondiente que es el cambio de aceite y no tiene problema alguno en el funcionamiento. Se puede observar en la gráfica un pico alto, que se considerar un ruido externo del motor.
Figura 25. Gráfica de vehículo con 5000 km en ralentí
29 la gráfica se nota elevados picos de frecuencia, lo cual se considera normal porque aumenta el ruido al momento de acelerar el motor del vehículo
Figura 26. Gráfica de vehículo con 5000 km a 2500 RPM
En la siguiente tabla 4 se muestran las gráficas de la frecuencia de ruido de vehículos que contiene fallas, las cuales están guardadas en el dispositivo para la comparación y diagnóstico. Los automóviles considerados no tenían un historial de mantenimiento progresivo, por lo que se considera principalmente que los cambios de aceite y mantenimientos no se realizó en el tiempo adecuado.
Se consideró estas tres fallas ya que son las más comunes que se presentan en los automóviles. Al observar las ondas de frecuencia de ruido de motores con fallas, a simple vista se examina que no son iguales, produciendo numerosos picos irregulares, que son considerados ruidos muy graves para el buen funcionamiento del motor.
Los ruidos sincronizados del motor se producen al mismo tiempo y con el mismo ritmo que se mantiene en giro el motor. El ruido general se produce como detonación la cual se localiza en el interior de la cámara de combustión con un sonido claramente metálico. El ruido es ocasionado por la modificación del momento exacto del salto de chispa, la misma que no se produce en el punto muerto superior. El problema general es el uso de gasolina de bajo octanaje o a la vez una mezcla demasiado pobre.
Cuando el ruido sigue el mismo ritmo de las combustiones, es decir cuando se acelera y disminuye las revoluciones del motor, es evidente que la causa es mecánica, por lo tanto las posibles fallas pueden ser las siguientes:
Juego excesivo de taques
Rotura de los aros
Piezas rodantes deformadas
Muelles de las válvulas flojos.
30
Tabla 4. Gráficas de frecuencia de ruido con fallas
FALLA GRÁFICA DE FRECUENCIA DE RUIDO
Golpeteo de válvulas
Golpeteo del pistón
Ruido de la banda de distribución
3.8.3 ANÁLISIS DE GRÁFICAS POR KILOMETRAJES
31 El análisis de la frecuencia de ruido empieza a los 10000 Km con un mantenimiento preventivo adecuado obteniendo la onda de ruido de la figura 27. Comparando con los patrones guardados la gráfica es similar a la estándar, sin cambiar demasiado la frecuencia
Figura 27. Frecuencia de ruido a 10000 Km
La onda de frecuencia de ruido a los 20000 Km se observa en la figura 28, en la cual se obtiene como resultado la similitud con la onda de ruido estándar considerando que el vehículo se realizó el mantenimiento preventivo en el tiempo y recorrido adecuando, sin presentar fallas de ruido anormales.
Figura 28. Frecuencia de ruido a 20000 Km
32 guías de válvulas y se realiza el asentamiento de las válvulas. Como recomendación una vez realizado el mantenimiento correctivo medir nuevamente para obtener una gráfica similar a la estándar.
Figura 29. Frecuencia de ruido a 30000 Km
El vehículo analizado de 40000 Km dio como resultado una onda de ruido similar a la gráfica estándar. En la figura 30 se observa una frecuencia con picos no muy grandes. El mantenimiento preventivo fue realizado en los tiempos adecuados según el fabricante, por esta razón no existe una frecuencia alta de ruido del motor y no existe problemas en el funcionamiento.
Figura 30. Frecuencia de ruido a 40000 Km
33
Figura 31. Frecuencia de ruido a 50000 km
Cuando en un vehículo no se le realiza el mantenimiento en los tiempos adecuados se producen problemas y a los 60000 Km se puede asumir que es un kilometraje que no debería acarrear problemas. La medición se lo realizo a un vehículo que tenía un ruido anormal, por lo que en la figura 32 se observa la onda de ruido que es irregular con un alto índice a posibles problemas. La gráfica no es similar con las señales patrón. Pero se puede deducir que por el ruido tendrá un probable daño en un futuro.
Figura 32. Frecuencia de ruido a 60000 Km
34 El factor considerable para obtener esta gráfica son los mantenimientos preventivos en el tiempo adecuado.
Figura 33. Frecuencia de ruido a 70000 Km
En la figura 34 se puede observar una onda de frecuencia de ruido de un vehículo a 80000 Km de recorrido. La gráfica es similar a al golpeteo del pistón pero con menor frecuencia, por lo que se puede llegar a un diagnóstico de que es producido por el combustible de bajo octanaje. Se debe considerar que el vehículo tenía los mantenimientos preventivos en los tiempos correctos. Como una recomendación antes de dar un diagnóstico se puede cambiar el combustible y tomar mediciones del ruido para observar si persiste la misma gráfica o diferente.
Figura 34. Frecuencia de ruido a 80000 Km
35 taller, por tal motivo el ruido producido es por los taques hidráulicos, por ende se considera golpeteo de válvula. La razón más probable seria el tipo de aceite que se utilice y no realizar los cambios del mismo en los tiempos programados.
Figura 35. Frecuencia de ruido a 90000 Km
Por último en la figura 36 se observa la onda de frecuencia de ruido de un vehículo cuando tenía 100000 Km de recorrido, obteniendo una frecuencia con picos muy altos pero con una similitud a la onda de ruido patrón estándar. Los factores del vehículo es tener un historial de mantenimiento preventivo en los tiempos recomendados por la casa comercial.
El aumento de los picos se debe por el aumento de ruido por el desgaste de los elementos metálicos, por esto se considera una frecuencia de ruido normal.
Figura 36. Frecuencia de ruido a 100000 Km
36
3.9. RESULTADO DE COMPARACIÓN
El resultado se lo obtiene en el dispositivo una vez que el programa analiza y compara entre las frecuencias de ruido guardadas. La figura 37 indica el resultado de la comparación en la pantalla del dispositivo y en la computadora con el software MATLAB.
Figura 37. Resultado de la comparación de señales de ruido
Con la respuesta enviada al dispositivo, el ingeniero o técnico es capaz de realizar el diagnóstico y proceder a ejecutar el mantenimiento correctivo o preventivo para eliminar el problema y así el motor de combustión interna a gasolina tenga el funcionamiento adecuado.
3.9.1 COMPARACIÓN DE LAS SEÑALES
37 3.9.1.1 Resultado del algoritmo de comparación
El software tiene la programación necesaria para realizar esta comparación. En la figura 38 se indica el resultado con los algoritmos FFT en software MATLAB que se utilizó para llegar a la comparación y obtener los resultados. Se comprueba el desplazamiento de frecuencia de las correlaciones cruzadas. Aquí hay que anunciar que el cambio de frecuencia no es el cambio de frecuencia real. Se procesa la frecuencia en MATLAB. Por la definición del espectro para el "nfft", que es la longitud de la STFT programada en MATLAB, la función devolverá un rango de frecuencia que es respecto al "nfft".
38 En el editor de MATLAB se procede a ejecutar la programación, obteniendo los resultados requeridos, además el algoritmo permite trabajar en varios canales y analizar las gráficas de la frecuencia de ruido.
Las librerías de programación se la encuentra en el mismo programa, por ende es fácil utilización el MATLAB para realizar este tipo de trabajos. Básicamente lo que se hace es comparar el espectro de una señal, y específicamente para cumplir con el objetivo se analiza y se compara la señal de ruido.
Una vez que se obtuvo la frecuencia también conocido como espectros, se procede al análisis de cada uno, con la condición que las señales son tomadas con los protocolos de medición, bajo las mismas condiciones.
3.9.2 DIAGNÓSTICO CON EL DISPOSITIVO
El primer análisis se lo realiza cunado se tiene en el dispositivo la respuesta de la comparación entre la señal patrones y señal que se deseaba comparar. En la figura 39 se observa la respuesta en la parte inferior de la pantalla del dispositivo, en este caso la señal guardada era similar a la señal patrón, por esta razón la respuesta indica cual es la señal equivalente.
Con la respuesta visualizada, los especialistas llegan a dan un diagnóstico básico sobre las condiciones de funcionamiento del motor.
En este caso el diagnóstico será que no existe ruidos anormales que puedan afectar al correcto funcionamiento del motor, ya que la señal medida es igual a la señal patrón de un motor sin problemas.
Figura 39. Resultado en el dispositivo después de la comparación
39
Figura 40. Presentación de gráficas en MATLAB
En la tabla 5 se muestra un ejemplo de comparación entre señales, en donde se tiene una señal patrón, dos señales de errores y la señal que se desea comparar.
El diagnóstico que realiza el ingeniero el técnico de mantenimiento será en base a las gráficas expuestas. Al observar las señales se determinó que la señal patrón del automóvil estándar es similar a la señal que se desea comparar, por lo tanto el motor no presenta problemas de funcionamiento.
Tabla 5. Comparación de señales visualmente
Señal Patrón automóvil Estándar Señal a comparar
40 El nivel de confiabilidad según el tipo de análisis que se utilice dependerá del especialista, el cual será responsable del diagnóstico que realice.
3.9.3 RUIDOS GENERADOS EN MOTORES
Como ayuda para el diagnóstico se debe conocer los ruidos generados por los motores de combustión interna. En la figura 41 se observa las fuentes de ruido que produce un motor de combustión ya que internamente existen varios elementos que producen ruido durante su funcionamiento debido a la fricción que se genera entre ellos por lo que es necesarios conocer los mecanismos que generan el ruido.
Figura 41. Fuentes de ruido (Mónico, 2013)
Los ruidos del pistón se produce durante el funcionamiento del motor las fuerzas del combustible y la inercia que actúa sobre el pistón generan su cambio de dirección y un impacto contra la pared del cilindro que exista el bloque, el cual vibra e irradia ruido.
El ruido en la banda de distribución es generado comúnmente por el sistema de inyección, y se producen en carga parcial o plena carga a altas frecuencias aunque en la mayoría de los casos el ruido provocado sea imperceptible para un resultado general del motor.
41
Figura 42. Emisión del ruido en un motor de combustión interna (Mónico, 2013)
Durante un ciclo de trabajo, el cigüeñal está sometido a fuerzas que cambian de dirección e intensidad, esto junto con la inevitable presencia de holguras, genera impactos del cigüeñal que promueve la vibración del sistema y la generación de ruido. Este fenómeno es conocido como ruido estridente y usualmente ocurre a altas velocidades o aceleraciones (Mónico, 2013)
3.9.4 ANÁLISIS DE LA FRECUENCIA DE RUIDO
La siguiente gráfica fue obtenida mediante el algoritmo FFT por el software MATLAB, esta señal de onda se obtuvo del vehículo estándar.
En la figura 43 se observa la onda de la frecuencia de ruido de automóvil nuevo.
42 Para el análisis se debe encontrar la frecuencia fundamental del espectro. Esta frecuencia está relacionada con la velocidad del giro del motor. Para poder determinar la frecuencia se realiza la trasformación a hercios (Hz) que equivale a 60 rpm. Por lo general el vehículo está girando aproximadamente a 890 RPM. De igual forma se realizara la frecuencia fundamental a 2500 RPM. El cálculo se lo realiza con una regla de tres.
890 𝑟𝑝𝑚 ∗ 1 𝐻𝑧
60 𝑟𝑝𝑚= 14,83 𝐻𝑧
2500 𝑟𝑝𝑚 ∗ 1 𝐻𝑧
60 𝑟𝑝𝑚 = 41,66 𝐻𝑧
Teniendo conocimiento sobre el concepto de la frecuencia fundamental, la frecuencia más baja en el sistema de resonancia del vehículo estándar a 890 rpm es de 14,83 Hz. La frecuencia fundamental del mismo motor a 2500 rpm es de 41,66 Hz.
En el motor existen otros elementos que generan frecuencia fundamental las cuales nos trasmiten información y cada uno tiene relación con el motor. Para obtener los datos de los elementos del motor se establecen múltiplos en base a la investigación, por lo que se establece las siguientes relaciones.
Para que el árbol de levas gire una vez el cigüeñal debe girar dos veces, por lo que la relación es de X/2.
Durante un giro del cigüeñal dos inyectores introducen combustible en los cilindro, por tanto la relación es de 2X.
Mientras el cigüeñal da un giro 4 levas contactan los balancines, debido a esto se reduce la frecuencia con la relación 4X
El ruido de los pistones que no están generando trabajo, es decir , que no están en combustión corresponden a la frecuencia 6X
El motor posee cuatro válvulas por cilindro, dos de admisión y dos de escape pero en una vuelta del cigüeñal se mueve 8 válvulas, por lo que se deduce que la frecuencia es de 8X
La frecuencia de16X corresponde a los elementos auxiliares del motor A continuación se indica la tabla 6 con lo descrito anteriormente con sus múltiplos
Tabla 6. Múltiplos y elementos del motor
Múltiplo Elemento
X/2 Árbol de levas X Cigüeñal
2X Pistón en combustión 4X Levas
6X Pistones que no están en combustión 8X Válvulas
43 Las pruebas se realizaron a 890 rpm y 2500 rpm, a estas velocidades del giro del motor la frecuencia fundamental la frecuencia varia. La tabla 7 indica los resultados obtenidos para cada frecuencia en cada uno de los casos analizados.
Tabla 7. Frecuencia a 890 rpm y 2500 rpm
Múltiplos
RPM 890 2500
Hz
X/2 7,415 20,83
X 14,83 41,66
2X 29,66 83,32
4X 59,32 166,64
6X 88,98 249,96
8X 118,64 333,28 16X 237,28 666,56
Es importante mencionar que existe una normativa para la medición de ruido, pero se relación es a la presión de sonido que los cuerpos realizan. La norma internacional ISO 3745 determina un proceso para medir los niveles de presión de sonido en una superficie que envuelve a la fuente generadora de ruido, específicamente en una cámara anecóica. La norma establece códigos con el objetivo de especificar el tipo de fuente, requisitos para el montaje y condiciones de funcionamiento, las superficies de medición y por último la posición del micrófono. La fuente de ruido según la norma puede ser un dispositivo, una máquina, un componente o un sub-conjunto. El tamaño máximo de la fuente de ruido depende de los requisitos especificados con respecto al radio de la esfera hipotética o hemisferio utilizado como superficie de medición envolvente. En la tabla 8 se indica los valores de una octava de frecuencia que son estimados dependiendo la cámara de medición. Los valores son dados en dB (decibeles) por la presión de sonido.
Tabla 8. Valores de la potencia estándar en cámaras de medición
UN TERCIO DE OCTAVA DE FRECUENCIA DE
BANDA MEDIA
VALORES SUPERIORES DE LA DESVIACIÓN ESTÁNDAR DE LA REPRODUCIBILIDAD
DB CÁMARA
ANECÓICA CÁMARA SEMIANECÓICA
50 a 80 2 2
100 a 630 1 1,5
800 a 5000 0,5 1
6300 a 10000 1 1,5
12500 a 20000* 2 2
Ponderado 0,5 0,5