UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS
DEL SISTEMA DE ARRANQUE Y DE CARGA PARA
VEHÍCULOS TURISMO
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
CRISTIAN ELVIS MALDONADO TORRES
DIRECTOR: ING. IVÁN YÁNEZ, MSc.
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2016
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 2100085923
APELLIDO Y NOMBRES: MALDONADO TORRES CRISTIAN ELVIS DIRECCIÓN: AV. GUALAQUIZA Y DEL MAESTRO EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 2537289
TELÉFONO MOVIL: 0968752778
DATOS DE LA OBRA
TITULO: DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN BANCO DE PRUEBAS DEL SISTEMA DE
ARRANQUE Y CARGA DE VEHÍCULOS TURISMO
AUTOR O AUTORES: CRISTIAN ELVIS MALDONADO TORRES FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN:
8 de Diciembre del 2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Ing. IVÁN YÁNEZ, Msc.
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO TITULO POR EL QUE OPTA: INGENIERO AUTOMOTRIZ
RESUMEN: Mínimo 250 palabras El banco de pruebas del sistema de
carga y arranque realizado permite al
usuario conocer el funcionamiento
adecuado de cada sistema, así como
las fallas que se puedan generar en
los mismos. El primero de ellos
permite cargar la batería sin que esta
pierda energía cuando el vehículo
esta encendido, y el segundo sistema
inicia el funcionamiento del motor.
Respecto a las fallas que se pueden
de una batería defectuosa que no
permite el campo de excitación en el
alternador como la cantidad de
corriente que necesita el motor de
arranque. Estos dos sistemas deben
disponer en todo momento de un
mantenimiento preventivo, ya que
son la base para que encienda el
vehículo y permanezca en ese mismo
estado.
Las pruebas que se ejecutaron en el
sistema de carga mostraron que el
alternador debe funcionar a más de
800 rpm, en caso contrario la batería
mantuvo un voltaje de 12.5 voltios. A
medida que se aumentaron las
revoluciones el voltaje se estabilizó
en 13.25 voltios, y el amperaje
mientras se incrementaban las rpm
aumentó progresivamente hasta
obtener un valor de 27 amperios a
3600 rpm. Por otro lado, en cuanto al
sistema de arranque se observó que
las pruebas en vacío generaron una
caída de voltaje de 11.05 voltios y un
máximo valor de corriente de 57.8
amperios. Así mismo, en este sistema
se construyó un mecanismo que
simule la carga del motor con el cual
se obtuvo datos que se acercan más
a la realidad, para esto se realizaron
como resultado una caída de tensión
de 8.89 voltios y 227 amperios a 30
libras-pies. Los valores obtenidos de
las dos pruebas del sistema de
arranque indicaron que posee un
correcto funcionamiento en
comparación con los datos que se
obtuvieron del fabricante.
PALABRAS CLAVES: Alternador, Arranque, electricidad. ABSTRACT: The test bench of the system of load
and start realized allows the user to
know the proper operation of each
system, as well as the failures that
can be generated in them. The first
one allows charging the battery
without it losing power when the
vehicle is on, and the second system
starts the engine operation.
Regarding the faults that can be
found, the most common was to have
a defective battery that does not allow
the field of excitation in the alternator
as the amount of current that the
starter needs. These two systems
must have at all times a preventive
maintenance, since they are the base
to ignite the vehicle and remain in the
same state.
The tests that were run on the
charging system showed that the
rpm, otherwise the battery
maintained a voltage of 12.5 volts.
As the revolutions were increased,
the voltage stabilized at 13.25 volts,
and the amperage while increasing
the rpm increased progressively to a
value of 27 amps at 3600 rpm. On
the other hand, in the starting system
it was observed that the tests in
vacuum generated a voltage drop of
11.05 volts and a maximum current
value of 57.8 amps. Also, in this
system was built a mechanism to
simulate the load of the engine with
which data were obtained that are
closer to reality, for this tests were
performed at different torques,
resulting in a voltage drop of 8.89
volts and 227 amps at 30
foot-pounds. The values obtained from
the two tests of the start system
indicated that it has a correct
operation compared to the data
obtained from the manufacturer.
KEYWORDS Alternator, start engine, electric
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, MALDONADO TORRES CRISTIAN ELVIS, CI 2100085923 autor/a del proyecto titulado: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS DEL SISTEMA DE ARRANQUE Y DE CARGA PARA VEHÍCULOS TURISMO 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.
DECLARACIÓN
Yo CRISTIAN ELVIS MALDONADO TORRES, 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
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño e implementación de un banco de pruebas del sistema de arranque y de carga para vehículos turismo”, que, para aspirar al título de Ingeniero Automotriz fue desarrollado por Cristian Maldonado, 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.
DEDICATORIA
Dedico este proyecto de Tesis a mi padre Fausto Maldonado que en toda la
carrera fue la principal razón para que llegue a ser profesional, a mi madre
María Carmita Torres que con sus enseñanzas me demuestra que todo es
alcanzable en la vida. A mi novia Sofía Andrade por todo el apoyo que me ha
brindado antes y durante este camino. A mis hermanos Richard Maldonado
que día a día me mantuvo con ánimos para poder culminar este proyecto, a
Edwin Maldonado que con su ejemplo llegue a donde estoy ahora y Gina
Maldonado que a pesar de poner mucha presión fue clave para lograr esta
AGRADECIMIENTO
Agradezco de manera muy formal este trabajo de Tesis a mis profesores que
fueron una ayuda permanente compartiendo su conocimiento para realizar
este proyecto, en especial a mi tutor Ing. Iván Yánez por estar al pendiente en
todo momento del desarrollo de la misma, a los maestro José Santamaría por
brindarme el espacio para realizar parte del proyecto, al Ingeniero Llumigusin
que me enseño el correcto funcionamiento de equipo que son usados en el
banco de pruebas y a mi familia por motivarme a terminar este ciclo de mi
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ... 1
ABSTRACT ... 2
1. INTRODUCCIÓN ... 3
2. MARCO TEÓRICO ... 5
2.1 MAGNITUDES FUNDAMENTALES DE LA ELECTRICIDAD ... 5
2.1.1 LA MATERIA ... 5
2.1.2 EL ÁTOMO ... 5
2.1.3 ELECTRICIDAD ... 6
2.1.4 RECTIFICADOR DE CORRIENTE ... 6
2.2 EFECTOS DE LA CORRIENTE ELECTRICA ... 8
2.2.1 MAGNETISMO ... 8
2.2.2 CAMPO MAGNÉTICO ... 8
2.2.3 ELECTROMAGNETISMO ... 9
2.2.4 INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA ... 10
2.3 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS MOTORES ELECTRICOS ... 10
2.3.1 PRINCIPO DE FUNCIONAMIENTO DE MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA... 10
2.3.2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA ... 12
2.4 SISTEMA DE CARGA ... 13
2.4.1 BATERÍA O ACUMULADOR ... 13
2.4.2 ALTERNADOR ... 18
2.5 SISTEMA DE ARRANQUE ... 27
2.5.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO ... 28
ii
2.5.3 FÓRMULAS MOTOR DE ARRANQUE ... 31
2.5.4 FALLAS Y SOLUCIONES DEL SISTEMA DE ARRANQUE ... 35
2.6 ESQUEMA Y DIAGRAMAS DE CARGA Y ARRANQUE ... 38
3. METODOLOGÍA ... 39
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 43
4.1 DISEÑO DEL SISTEMA DE CARGA ... 43
4.1.1 SIMULACIÓN DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ... 43
4.1.2 CÁLCULOS DEL ALTERNADOR... 49
4.1.3 DIAGRAMA DEL CIRCUITO DE CARGA ... 54
4.2 DISEÑO DEL SISTEMA DE ARRANQUE ... 55
4.2.1 DIAGRAMA DEL CIRCUITO DE ARRANQUE ... 55
4.3 DISEÑO DE LA ESTRUCTURA BASE ... 56
4.3.1 BASE SUPERIOR Y FRONTAL ... 58
4.4 DISEÑO DEL PANEL ... 60
4.5 DISEÑO DE LA PARTE ESTRUCTURAL ... 62
4.5.1 CÁLCULOS DE LA PARTE ESTRUCTURAL ... 62
4.6 IMPLEMENTACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS ... 64
4.7 IMPLEMENTACIÓN PANEL DEL BANCO DE PRUEBAS ... 65
4.8 IMPLEMENTACIÓN SISTEMA DE CARGA ... 66
4.8.1 IMPLEMENTACIÓN SIMULADOR MOTOR COMBUSTIÓN INTERNA ... 66
4.8.2 IMPLEMENTACIÓN DEL ALTERNADOR Y BATERÍA ... 70
4.9 IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE ARRANQUE. ... 71
4.10 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DEL BANCO DE PRUEBAS ... 76
4.10.1 ANÁLISIS DE RESULTADOS DEL SISTEMA DE CARGA ... 76
iii
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 85
5.1 CONCLUSIONES ... 85
5.2 RECOMENDACIONES ... 86
BIBLIOGRAFÍA ... 87
iv
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Densidad de carga. ... 17
Tabla 2. Tensión de carga. ... 18
Tabla 3. Fallas, soluciones y diagnóstico del sistema de carga. ... 25
Tabla 4. Potencia para arrancar un motor de combustión interna. ... 31
Tabla 5. Fallas, soluciones y diagnóstico del sistema de arranque. ... 36
Tabla 6. Revoluciones por minuto de motores eléctricos. ... 45
Tabla 7. Potencias y torque motor eléctrico. ... 47
Tabla 8. Valores alternadores monofásicos. ... 51
Tabla 9. Fuerza electromotriz alternador trifásico estrella en cada fase. ... 52
Tabla 10. Tensión y amperios alternador trifásico en estrella. ... 53
Tabla 11. Perfiles lados iguales. ... 56
Tabla 12. Planchas galvanizadas. ... 58
Tabla 13. Pruebas sistema de carga. ... 77
Tabla 14. Datos sistema arranque en vacío. ... 79
v
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Átomo. ... 5
Figura 2. Paso del electrón por un conductor. ... 6
Figura 3. Rectificador de media onda. ... 7
Figura 4. Rectificador de onda completa. ... 7
Figura 5. Campo magnético. ... 8
Figura 6. Electroimán. ... 9
Figura 7. Generación de movimiento por imanes. ... 11
Figura 8. Giro de una espira... 11
Figura 9. Giro de espiras por medio de un conmutador. ... 12
Figura 10. Inducción electromagnética. ... 12
Figura 11. Diagrama eléctrico sistema de carga. ... 13
Figura 12. Batería y sus partes. ... 14
Figura 13. Mono bloque de la batería. ... 15
Figura 14. Tapa de la batería. ... 15
Figura 15. Parte interna de la batería. ... 16
Figura 16. Partes del alternador. ... 19
Figura 17. Estator del alternador. ... 20
Figura 18. Rotor del alternador. ... 20
Figura 19. Puente rectificador. ... 21
Figura 20. Diagrama eléctrico rectificador. ... 21
Figura 21. Regulador electrónico. ... 22
Figura 22. Diagrama eléctrico regulador electrónico con circuito de carga. 22 Figura 23. Posición del motor de arranque en el vehículo. ... 27
Figura 24. Esquema del circuito de arranque... 27
Figura 25. Estructura de motor de arranque. ... 28
Figura 26. Estator del motor de arranque. ... 29
Figura 27. Rotor del motor de arranque. ... 29
Figura 28. Carcasa del lado de accionamiento. ... 30
Figura 29. Esquema de bloques de sistema de carga y arranque. ... 38
vi
Figura 31 Variador de frecuencia. ... 44
Figura 32. Diagrama eléctrico variador de frecuencia. ... 46
Figura 33. Interruptor diferencial. ... 48
Figura 34. Contacto magnético. ... 48
Figura 35. Esquema y diagrama eléctrico del simulador del motor de combustión interna. ... 49
Figura 36. Diagrama circuito de carga. ... 54
Figura 37. Diagrama del circuito de arranque. ... 55
Figura 38. Perfil en L de lados iguales. ... 56
Figura 39. Vistas perfil base banco de pruebas. ... 57
Figura 40. Base superior. ... 59
Figura 41. Base frontal. ... 60
Figura 42. Base estructural. ... 60
Figura 43. Estructura y panel. ... 61
Figura 44. Análisis estructural de la base en aluminio. ... 63
Figura 45. Análisis estructural de la base en acero. ... 64
Figura 46. Estructura del banco de pruebas. ... 65
Figura 47. Panel del banco de pruebas. ... 65
Figura 48. Disyuntor para protección del sistema. ... 66
Figura 49. Contactor del sistema. ... 67
Figura 50. Fusible con salida de 110v. ... 67
Figura 51. Paro de emergencia. ... 68
Figura 52. Interruptor de accionamiento. ... 68
Figura 53. Luz testigo de encendido del sistema. ... 68
Figura 54. Variador de frecuencia. ... 69
Figura 55. Motor eléctrico 3 hp. ... 69
Figura 56. Alternador. ... 70
Figura 57. Anclaje alternador. ... 70
Figura 58. Conexión sistema de carga. ... 71
Figura 59. Anclaje motor de arranque. ... 72
Figura 60. Conexión sistema de arranque. ... 72
vii
Figura 62. Acople al volante de inercia. ... 73
Figura 63. Bocín. ... 74
Figura 64. Freno de bocín. ... 74
Figura 65. Ensamble del volante de inercia con mecanismo de frenado. ... 75
Figura 66. Ensamble del mecanismo de frenado con estructura base. ... 75
Figura 67. Valores de voltaje vs rpm en alternador. ... 78
Figura 68. Valores de Amperaje vs rpm en alternador. ... 78
Figura 69. Mediciones de voltaje en motor de arranque. ... 80
Figura 70. Valores de amperaje en motor de arranque. ... 80
Figura 71. Valores de voltajes en carga. ... 82
Figura 72. Valores de amperaje en carga. ... 82
viii
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA Anexo 1 Ficha técnica batería. ... 89
Anexo 2 Ficha técnica motor de arranque. ... 90
Anexo 3 Ficha técnica alternador. ... 91
Anexo 4 Ficha técnica variador de frecuencia. ... 92
Anexo 5 Ficha técnica motor eléctrico. ... 93
Anexo 6 Guía práctica del banco de prueba. ... 94
1
RESUMEN
El banco de pruebas del sistema de carga y arranque realizado permite al
usuario conocer el funcionamiento adecuado de cada sistema, así como las
fallas que se puedan generar en los mismos. El primero de ellos permite
cargar la batería sin que esta pierda energía cuando el vehículo esta
encendido, y el segundo sistema inicia el funcionamiento del motor. Respecto
a las fallas que se pueden encontrar, la más común fue disponer de una
batería defectuosa que no permite el campo de excitación en el alternador
como la cantidad de corriente que necesita el motor de arranque. Estos dos
sistemas deben disponer en todo momento de un mantenimiento preventivo,
ya que son la base para que encienda el vehículo y permanezca en ese mismo
estado.
Las pruebas que se ejecutaron en el sistema de carga mostraron que el
alternador debe funcionar a más de 800 rpm, en caso contrario la batería
mantuvo un voltaje de 12.5 voltios. A medida que se aumentaron las
revoluciones el voltaje se estabilizó en 13.25 voltios, y el amperaje mientras
se incrementaban las rpm aumentó progresivamente hasta obtener un valor
de 27 amperios a 3600 rpm. Por otro lado, en cuanto al sistema de arranque
se observó que las pruebas en vacío generaron una caída de voltaje de 11.05
voltios y un máximo valor de corriente de 57.8 amperios. Así mismo, en este
sistema se construyó un mecanismo que simule la carga del motor con el cual
se obtuvo datos que se acercan más a la realidad, para esto se realizaron
pruebas a diferentes torques, dando como resultado una caída de tensión de
8.89 voltios y 227 amperios a 30 libras-pies. Los valores obtenidos de las dos
pruebas del sistema de arranque indicaron que posee un correcto
funcionamiento en comparación con los datos que se obtuvieron del
2
ABSTRACT
The test bench of the system of load and start realized allows the user to know
the proper operation of each system, as well as the failures that can be
generated in them. The first one allows charging the battery without it losing
power when the vehicle is on, and the second system starts the engine
operation. Regarding the faults that can be found, the most common was to
have a defective battery that does not allow the field of excitation in the
alternator as the amount of current that the starter needs. These two systems
must have at all times a preventive maintenance, since they are the base to
ignite the vehicle and remain in the same state.
The tests that were run on the charging system showed that the alternator
should run at over 800 rpm, otherwise the battery maintained a voltage of 12.5
volts. As the revolutions were increased, the voltage stabilized at 13.25 volts,
and the amperage while increasing the rpm increased progressively to a value
of 27 amps at 3600 rpm. On the other hand, in the starting system it was
observed that the tests in vacuum generated a voltage drop of 11.05 volts and
a maximum current value of 57.8 amps. Also, in this system was built a
mechanism to simulate the load of the engine with which data were obtained
that are closer to reality, for this tests were performed at different torques,
resulting in a voltage drop of 8.89 volts and 227 amps at 30 foot-pounds. The
values obtained from the two tests of the start system indicated that it has a
3
1. INTRODUCCIÓN
Algunos de los problemas que existen el sector automotriz en el área de
cuidados y mantenimiento de los automóviles son los daños en el sistema
eléctrico, con ello tanto el sistema de arranque y de carga. La mayoría de los
talleres automotrices y centros educativos solo realizan una inspección visual
y ya en el caso de que exista un daño lo único que realizan es el cambio de
las piezas defectuosas, sin ni siquiera repararlo. Esto se debe a que tanto en
los talleres y centros educativos no existe un equipo adecuado que le permita
a los técnicos y estudiantes realizar verificaciones como velocidad de rotación,
potencia, la intensidad de corriente absorbida, la caída de voltaje, con el
objetivo de brindar al cliente una solución eficiente evitando cualquier tipo de
reclamo posteriores y disconformidades del trabajo realizado.
Últimamente en los talleres automotrices se ha descuidado las inspecciones
preventivas del alternador y motor de arranque en los mantenimientos.
La falta de conocimiento de un adecuado manejo del vehículo ocasiona que
elementos como el alternador y motor de arranque se desgasten o dañen
prematuramente, por lo que los talleres deben prestar mayor atención dentro
de sus programas de mantenimiento y contar con los equipos necesarios para
un diagnóstico rápido y eficaz.
Si los talleres de electricidad automotriz no cuentan con los equipos
necesarios para el diagnóstico del alternador y motor de arranque van existir
problemas en los mantenimientos a realizarse ya que no serán como los que
recomienda el fabricante y en un futuro podrían presentar fallas.
Tanto el motor de arranque como alternador son sin duda una de las partes
más importantes del automóvil, pues el primero de ellos es el encargado de
otorgar el primer giro para que el motor siga su marcha mientras que el
alternador mantiene la batería cargada y brinda la energía para todos los
sistemas eléctricos cuando el vehículo se encuentra encendido. Por eso es
trascendental tener un banco de pruebas enfocado en reconocer posibles
4 Es importante equipar los talleres automotrices como los centros educativos
con un banco de pruebas de sistema de carga y arranque para así realizar
trabajos de comprobación específicos como realizar pruebas de caída de
voltaje en el alternador a diferentes rpm, realizar pruebas en vacío y en carga
en el motor de arranque. Con el fin de que en el futuro no existan problemas
prematuros de los elementos mencionados.
El objetivo principal del presente proyecto de investigación es “Diseñar y
construir un banco de pruebas del sistema de arranque y carga para vehículos de turismo”.
Los objetivos específicos son:
Investigar y analizar los fundamentos teóricos de los sistemas de carga y arranque para tener un conocimiento que permita el desarrollo del
proyecto.
Diseñar un banco de pruebas que permita obtener valores específicos y datos técnicos que brinden información del estado de los sistemas de
carga y arranque.
Construir un banco de pruebas que permita generar un diagnóstico del funcionamiento de los diferentes sistemas presentados por medio de
instrumentos de medición.
Realizar pruebas de funcionamiento que permitan un diagnóstico de los elementos de los diferentes sistemas a estudiar para dar soluciones
5
2. MARCO TEÓRICO
2.1 MAGNITUDES FUNDAMENTALES DE LA ELECTRICIDAD
2.1.1 LA MATERIA
Se debe entender que la electricidad está relacionada muy estrechamente con
la estructura atómica de la materia porque en esta se haya las cargas
eléctricas y es por ello que se obtienen los diferentes fenómenos eléctricos.
Además la materia se define como todo lo que ocupa un lugar en el espacio,
esta a su vez está formada con partículas unidas entre sí y las cuales se
forman por moléculas y por último la base de todo son los átomos (Alonso J.
, 2010).
2.1.2 EL ÁTOMO
Desde el punto de vista eléctrico, el núcleo se forma por protones (carga
positiva) y neutrones (carga neutra) y en la corteza se tiene electrones que se
encuentran en movimiento girando en orbitas circulares y casi elípticas
alrededor del núcleo, y ahí donde nace la electricidad en el movimiento de los
electrones. Es por ello que la estructura del átomo se asemeja a un sistema
solar donde el núcleo es el sol y los electrones los planetas como se observa
en la figura 1 (Bosch, 2005).
Figura 1. Átomo.
6
2.1.3 ELECTRICIDAD
En un conductor los electrones que lo componen tienen la facilidad de
moverse en cualquier dirección, y por esto que se puede conseguir un
movimiento ordenado de los mismos, es decir un flujo en una misma dirección
todo gracias a un empuje o una fuerza que lo determina un acumulador y esto
da origen a una corriente eléctrica como se observa en la figura 2 representa
el paso del electrón por un conductor conectado una fuente en este caso una
pila. El paso de corriente va en el sentido de negativo a positivo. (Belló, 2011)
Como se observa la figura 2 el electrón A pasa al punto B por la fuerza de un
empuje, el electrón que se encontraba allí sale expulsado hacia la siguiente
orbita y así sucesivamente hasta llegar al punto de a de regreso, es decir si
sale uno por un extremo, entra otro por el otro lado (Alonso J. , 2010).
Figura 2. Paso del electrón por un conductor.
(Alonso J. , 2010)
Por definir a la corriente eléctrica como es el movimiento ordenado de los
electrones que han sido desplazados de sus orbitas mediante la aplicación de
una fuerza eléctrica (Astudillo M. , 2010).
2.1.4 RECTIFICADOR DE CORRIENTE
Los rectificadores son los encargados de cambiar el tipo de corriente de
alterna a directa y esto se lleva a cabo bajo un proceso, usando diodos los
cuales ayudan a cambiar la señal que reciben, es decir permiten una corriente
unidireccional. Existen muchos rectificadores para realizar este proceso, pero
tanto los rectificadores de media onda como los de onda completa son los
7
2.1.4.1 Rectificador de media onda
Este tipo de rectificadores funcionan eliminado la mitad de la señal que
reciben en la entrada, es decir dejan pasar la mitad de la corriente por medio
de un diodo, este paso ayuda a que la corriente cambia a directa. Como se
observa en la figura 3 se tiene una fuente con corriente alterna, cuando está
en el semiciclo positivo el diodo se polariza y resulta una media onda positiva
en la salida pero en el semiciclo negativo de la corriente alterna el diodo
impide el paso de corriente por lo que la señal es nula (Manzano, 2006).
Figura 3. Rectificador de media onda.
(Manzano, 2006)
2.1.4.2 Rectificadores de onda completa
Al igual que los rectificadores de media onda, permiten convertir la corriente
alterna en corriente directa, hace uso de los semiciclos de la señal senoidal
en este caso alterna para formar una señal directa sin pausas, es decir no solo
permite el paso del semiciclo positivo sino también el semiciclo negativo lo
hace positivo de manera que toda la señal se convierte en positiva como se
observa en la figura 4 (Manzano, 2006).
Figura 4. Rectificador de onda completa.
8
2.2 EFECTOS DE LA CORRIENTE ELECTRICA
2.2.1 MAGNETISMO
En la naturaleza se tiene cuerpos que tiene la propiedad de atraer hierro y sus
derivados como los es la magnetita, a estos elementos se los denomina
imanes. Hoy en día se crea imanes a partir del acero llevándolo a tratamientos
químicos que produzcan idénticas propiedades que la magnetita. En un imán
se aprecia más sus propiedades en los extremos o también llamados polo
norte y polo sur. Estos imanes disponen de una línea imaginaria que separa
a los dos polos en partes iguales además si se tiene dos imanes y se acerca
polos iguales estos tienden a separarse o se repelen y si se acerca polos
opuestos estos se acercan, esto se origina por una fuerza denominada fuerza
magnética (Alonso J. , 2010).
2.2.2 CAMPO MAGNÉTICO
Se denomina al espacio alrededor de un imán donde actúa la acción
magnética del mismo. Si en una hoja de papel se tiene limaduras de hierro y
por debajo se pone un imán, las limaduras se distribuyen adoptando una forma
de líneas curvas alrededor del imán que van desde el polo norte hacia el polo
sur, estas líneas son denominadas fuerza magnética y el circuito se cierra
desde el interior desde el polo sur al norte como se observa en la figura 5
(Serrano, 2008).
Figura 5. Campo magnético.
9
2.2.3 ELECTROMAGNETISMO
Cuando se dispone de corriente eléctrica en un conductor también se origina
efectos magnéticos en este. Este campo magnético se encuentra en sentido
perpendicular a la corriente.
Las líneas de fuerza magnéticas dependen del sentido de la corriente y se la
determina por la regla de la mano derecha y consiste en abrazar el conductor
con la mano y en la dirección que apunte el dedo pulgar es el paso de corriente
es decir de positivo a negativo, los otros dedos señalan las líneas de fuerza
magnética (Alvarenga, 2006).
Si se da el caso de que el conductor no es una línea recta sino tiene la forma
de espiral, las líneas de fuerza salen por una cara y entran por la otra es decir
que se asemeja a un imán (Astudillo M. , 2010).
Si a un conductor lo se lo enrolla con varias espiras esto se lo conoce como
bobina, esto quiere decir que el campo magnético esta reforzado, y a su vez
cada espira brinda mayor fortaleza a dicho campo.
Las líneas de fuerza como se observa en la figura 6 van alrededor de esta
bobina, pero la particularidad de esta bobina es que si el circuito no dispone
de corriente el campo magnético desaparece. A esto se le conoce como
electroimán (Alonso J. , 2010).
Figura 6. Electroimán.
(Alonso J. , 2010)
Se puede entonces decir que al momento de poner corriente en un conductor
este genera un campo magnético, este campo magnético depende mucho de
la corriente, la variación de corriente eléctrica genera una variación de campo
10
2.2.4 INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA
Inversamente cuando se mueve un conductor en un campo magnético se
origina electricidad y es a esto que se le denomina inducción eléctrica.
Si se tiene una bobina y a esta se le acerca un imán o un electroimán se
observa en la bobina un paso de corriente esto se lo puede medir con un
amperímetro y a lo que se aleja el imán la corriente en el conductor en este
caso una bobina es en sentido contrario, si el caso es al revés es decir se
acerca o se aleja la bobina del imán los resultados son exactamente los
mismo.
La inducción magnética se lleva a cabo bajo la ley de Faraday que establece
que la fuerza electromotriz inducida en un circuito cerrado es directamente
proporcional a la velocidad de cambio del flujo magnético por medio de un
cuerpo imantado o imán, es decir la variación de campo magnético crea
electricidad (Paz, 2010).
2.3 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS MOTORES
ELECTRICOS
2.3.1 PRINCIPO DE FUNCIONAMIENTO DE MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA
El principio por el cual funcionan estos motores es basarse en la repulsión de
polos magnéticos iguales de imanes permanentes, como ya mencionado
antes los polos de mismo nombre se repelen y polos de diferente nombre se
atraen.
Como se observa en la figura 7, se tiene un imán permanente en forma de U
con otro imán con un cetro giratorio O, al principio el imán con centro giratorio
esta con una leve inclinación como se puede observar en la misma figura, este
imán va a girar hasta que los polos opuestos estén frente con frente y quede
en equilibrio. Esta propiedad que se generan en los imanes es usada en los
11
Figura 7. Generación de movimiento por imanes.
(Farile, 2008)
Si se tiene un conductor en este caso un filamento metálico que dispone de
corriente eléctrica en el mismo y además está en un campo magnético, este
cuerpo conductor está sometido a una fuerza que tiende a expulsarlo del
campo magnético. Si se tuviera una espira como conductor como se observa
en la figura 8, y por medio de esta se pasa corriente, la espira gira hasta que
tenga la posición opuesta es decir vertical y quede en equilibrio (Gil, 2002).
Figura 8. Giro de una espira.
(Gil, 2002)
Si los extremos de estas espiras se unen a semianillos es decir se encuentran
aislados entre sí por no tener contacto y en los cuales están en contacto con
dos escobillas una de cada carga positiva y otra negativa.
Estas giran hasta ponerse en horizontal y quede en equilibrio, pero si a estas
espiras se disponen de otras, unidas a mas semianillos en forma de
conmutador la primera espira gira hasta ponerse perpendicular al campo
magnético mientras otra ocupa su lugar con la misma carga permitiendo el
giro continuo del mismo tanto de un polo como del otro como se observa en
12
Figura 9. Giro de espiras por medio de un conmutador.
(Gil, 2002)
2.3.2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA
Existen diferentes tipos de motores de corriente alterna, el más destacado en
el vehículo es el alternador que se alimenta de movimiento o energía
mecánica y la transforma en energía eléctrica. El principio de este tipo de
motores se basa en el movimiento de un cuerpo conductor, cuando este se
encuentra en movimiento en un campo magnético, generando un corte de
estas líneas de fuerza por el cual se consigue una fuerza electromotriz. Un
claro ejemplo se observa en la figura 10, en la cual se tiene un conductor fijo
activo y en el interior de este se encuentra un electroimán girando, induciendo
en el conductor fijo una f.e.m en cada lado, esto se da ya que en un extremo
un conductor fijo esta frente al polo positivo el otro esta con el polo negativo
(Augeri, 2010).
Además se debe observar que estos polos están en constante cambio por el
giro del electroimán se genera una f.e.m alterna porque el sentido cambia
continuamente (Gil, 2002).
Figura 10. Inducción electromagnética.
13
2.4 SISTEMA DE CARGA
La energía mecánica que nace en el motor de combustión interna se
transforma en energía eléctrica en el interior del alternador, esta a su vez una
parte llega a la batería o acumulador la cual almacena dicha energía eléctrica
en energía química y por ultimo esta energía química es liberada en forma de
energía eléctrica hacia el motor de arranque el cual transforma la energía en
mecánica para que genere los primeros movimientos al motor de combustión
interna (Pardiñas, 2012).
El sistema carga conforma con otros sistemas toda la parte eléctrica del
vehículo, este permite tener a la batería cargada, la cual ayuda al sistema de
arranque a encender el motor. El sistema consiste de un acumulador donde
se almacena la energía, de un alternador que permite crear la energía eléctrica
y un regulador que permite el uso adecuado de voltaje para la batería de la
corriente generada. A continuación, en la figura 11 se observa un diagrama
eléctrico del sistema de carga (Pardiñas, 2012).
Figura 11. Diagrama eléctrico sistema de carga.
(Astudillo M. , 2010)
2.4.1 BATERÍA O ACUMULADOR
La batería es parte importante del automóvil desde la parte inicial de
funcionamiento ya que es necesario energía para poder hacer funcionar el
motor de arranque y este a su vez logre mover el carro de la inercia, además
14 generador es decir el alternador no dispone de energía para alimentar los
sistemas eléctricos como son las luces, el radio, eleva vidrios, etc. Por ello el
acumulador brinda esta energía (Pesantes, 2009).
Entonces la batería almacena energía que envía el generador, es decir llega
energía eléctrica y la almacena en energía electroquímica, y a su vez cuando
brinda esta energía al motor de arranque realiza el proceso inverso, es decir
transforma energía electroquímica almacenada en energía eléctrica (Serrano,
2008).
2.4.1.1 Constitución de la batería
Todas las baterías se componen de un cuerpo resistente o también llamado
mono bloque en el cual en su interior tendrá celdas las cuales contendrán
placas de diferentes materiales para así formar un conjunto compacto. Estas
placas estarán sumergidas en un electrolito y a su vez están conectadas en
serie para obtener el voltaje deseado (Alonso M. , 2002).
El cuerpo de la batería en la parte superior estará sellado por una tapa la cual
dispone de orificios que ayudan a mantener a la batería en buen estado. Por lo general las baterías en vehículos están fabricadas de ácido – plomo como
se observa en la figura 12 y sus partes (Pardiñas, 2012).
Figura 12. Batería y sus partes.
(Alonso M. , 2002)
Cuerpo o mono bloque
Es la parte donde se alojan las demás partes tanto internamente como
15 en la parte inferior se tiene apoyos en los cuales están ubicadas las placas
permitiendo que no exista un cortocircuito con los sedimentos. La forma es de
una caja como se observa en la figura 13 (Alonso M. , 2002).
Figura 13. Mono bloque de la batería.
(Alonso M. , 2002)
Tapa
Es la que mantiene sellada al mono bloque por la parte superior, además de
ser fabricada por los mismos compuestos que el cuerpo, se puede observar
en la figura 14 que esta tiene orificios que ayudan a la salida de los gases por
las reacciones que existen en el interior de la batería además permite el
mantenimiento preventivo de la batería por medio de agua destilada (Crouse,
2001).
Además esta parte de la batería se tiene dos orificios por los cuales se tiene
los bornes positivo y negativos de la batería, siempre teniendo en cuenta que
el borne más grande en de positivo y el negativo el más pequeño (Alonso M.
, 2002).
Figura 14. Tapa de la batería.
(Alonso M. , 2002)
Placas
Son las que se encuentran en el interior de la batería en cada celda estás
16 radial como en la figura 15, las positivas son de plomo con bajo porcentaje de
antimonio, con una capa de peróxido de plomo, las placas negativas están
constituidas de plomo-antimonio. Hoy en día se puede adquirir baterías sin
mantenimiento esto es debido a que están fabricadas de plomo-calcio (Alonso
M. , 2002).
Separadores
Su objetivo es impedir el contacto de las placas positivas y negativas para
evitar daños de la misma, tiene forma de ranuras para que el paso del
electrolito no tenga ninguna dificultad así se le puede apreciar en la figura 15
(Alonso M. , 2002).
Figura 15. Parte interna de la batería.
(Alonso M. , 2002)
Electrolito
Es el líquido para que permita la reacción química en su interior la batería es
una solución de ácido sulfúrico diluido en agua destilada, es decir un 64% de
agua destilada y el 36% de ácido sulfúrico teniendo en cuenta estos valores
solo cuando está completamente cargada (Astudillo M. , 2010).
2.4.1.2 Comprobación de la batería
Si la batería brinda la energía necesaria para que el motor de arranque
funcione, la batería se encuentra en óptimas condiciones, sino es así debe
17 Inspección visual
Se procede a observar si el cuerpo o la tapa tiene algún daño, además se
debe verificar si la batería está anclada algún sitio de no ser así esta se debe
mover muy frecuentemente produciendo desperfecto en su funcionamiento.
Se procede a revisar los bornes, es decir su estado y si están ajustados a sus
respectivos cables y por ultimo revisar el electrolito, si el nivel es correcto en
el interior de la batería (Booster, 2011).
Inspección por medio de un densímetro
Con este instrumento de medición se obtiene la densidad del electrolito y la
carga que esta presenta. El densímetro está diseñado por un tubo de vidrio o
plástico en el cual contiene un flotador que ayuda para la correcta medición
de la densidad.
En su parte superior tienen una pera de goma la cual sirve como vacío para
succionar el electrolito. En la parte inferior una forma de pipeta para poder
succionar el electrolito además de entrar por los orificios de la batería. En la
siguiente tabla 1 se observa el estado de la batería de acuerdo a la densidad
del mismo (Serrano, 2008).
Tabla 1. Densidad de carga.
Densidad a 25℃ Carga
1270 – 1290 100%
1230 – 1250 75%
1200 – 1220 50%
1170 – 1190 25%
1140 – 1160 Muy poca capacidad útil
1110 - 1130 Descargada
18 Inspección con voltímetro
Con este instrumento de medición se obtiene la carga de la batería, y se
procede a tomar las puntas y conectarlas en su correcta posición y una escala
que se pueda obtener una correcta lectura, la medición se debe hacer sin que
exista una descarga de la batería por algún componente eléctrico es decir en
vacío. Los datos obtenidos se los compara con la siguiente tabla 2.
Tabla 2. Tensión de carga.
Tensión de la batería Estado de carga
Mayor o igual a 12.60 100%
De 12.50v a 12.45v 75%
De 12.35v a 12.25v 50%
De 12.35v a 12v 25%
(Bosch, 2005)
Inspección con descargador rápido
Es un equipo que permite descargar desde 50 a 1000ª, se lo conecta en
paralelo en cada borne y se lo enciende por 6 segundos la tensión debe
mantenerse en 9v durante la prueba sino es así, la batería está en mal estado
y se procede a su reemplazo (Alonso J. , 2010).
2.4.2 ALTERNADOR
Otra parte fundamental y la principal de este sistema de carga es el generador
de la energía o también llamado alternador.
Es verdad que la batería puede abastecer la energía para que funcione el
vehículo y los sistemas eléctricos y electrónicos pero si esta energía se acaba
el vehículo se detiene o se apaga por el simple hecho de que la batería no
19 ella que mantiene a los sistemas funcionando correctamente y además
cargando la batería constantemente, es así que la batería queda como un
acumulador de energía que es usada solo cuando el motor está parado y
comienza el arranque (Booster, 2011).
Entonces el alternador tiene como misión proporcionar la energía necesaria
para que funcionen los sistemas de alumbrado, limpiaparabrisas, eleva
vidrios, accesorios, etc. Así como generar energía para mantener la batería
cargada, esta energía es controlada por un regulador, que permite que no
exista una sobrecarga en los consumidores. (Alonso M. , 2002).
Pero como se genera la energía eléctrica, todo es gracias al movimiento
mecánico de una polea, la cual está situada en un extremo del mismo.
El movimiento que recibe es directamente del motor de combustión interna a
una polea que es la que mueve el mecanismo en su interior, este alternador
reemplaza al dínamo por sus beneficios en el mundo actual del automóvil.
Las partes que componen este mecanismo se puede ver en la figura 16
(Astudillo M. , 2010).
Figura 16. Partes del alternador.
(Astudillo M. , 2010)
2.4.2.1 Estructura del alternador
Estator
Formado en su interior por láminas de acero en forma de corona circular con
20 estrella o triángulos, unidas en serie enrollándose en sentido contrario para
que la fuerza electromotriz sea mayor dicho de otra forma todas las f.e.m se
sumen como se observa en la figura 17. En una de las partes fundamentales
del alternador y donde se origina el voltaje, este es trifásico y alterno (Alonso
J. , 2010).
Figura 17. Estator del alternador.
(Alonso J. , 2010)
Rotor
Otro de los mecanismos fundamentales del alternador, compuesto por un eje
robusto el cual se alojan las diferentes partes como son las masas polares en
forma de garra, en el medio de estos polos se sitúa una bobina de excitación,
como se puede ver en la figura 18 (Alonso J. , 2010).
Figura 18. Rotor del alternador.
(Alonso J. , 2010)
Puente rectificador
Es el elemento que permite que el voltaje cambie a corriente continua es decir
21 llamado armadura, en la cual dispone de una parte positiva y otra negativa
que además se encuentra en ella los diodos correspondientes. Dispone de
seis diodos de potencia y tres de excitación para los alternadores trifásicos
como se observa en la figura 19 (Serrano, 2008).
Figura 19. Puente rectificador.
(Serrano, 2008)
La figura 20 muestra el diagrama eléctrico del puente de diodos.
Figura 20. Diagrama eléctrico rectificador.
(Serrano, 2008)
Regulador electrónico
El regulador ya anteriormente mencionado ayuda para mantener un voltaje
constante, debido a que los picos de voltaje pueden ser muy elevados por el
movimiento del motor. Actualmente el alternador se incorpora al porta
escobillas las cuales permiten en el ingreso de corriente al estator por medio
de un anillo rozante, este tipo de regulador se lo observa en la figura 21
22
Figura 21. Regulador electrónico.
(Serrano, 2008)
La figura 22 muestra el diagrama eléctrico de un regulador electrónico con un
circuito de carga.
Figura 22. Diagrama eléctrico regulador electrónico con circuito de carga.
(Serrano, 2008)
2.4.2.2 Tipos de alternador
Alternador monofásico
Es un sistema que permite al alternador funcionar en una sola fase sin tener
cambios de voltajes. Las fórmulas presentadas a continuación son las
empeladas para su cálculo.
Por lo general el estator dispone de 350 a 520 conductores en su interior, el
flujo magnético está comprendido en los rangos de 10000 a 25000 maxwell.
Lo primero que se debe tener en cuenta es la fuerza electromotriz que va a
23 𝐸𝑚 = 2𝑝 𝑥 𝜙 𝑥 𝑁 𝑥 𝑛
60 𝑥 108 (𝑣𝑜𝑙𝑡𝑖𝑜𝑠) [1]
Donde:
𝐸𝑚: Fuerza electromotriz en voltios 2p: Total de polos
𝜙: Flujo magnético en maxwell
N: Conductores situados en el estator
n: Revoluciones por minuto
Lo siguiente a calcular es el valor medio de la fuerza electromotriz se tiene la
fórmula 2:
𝐸𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 = 2 𝑥 𝐸𝑚
𝜋 [2]
Donde:
𝐸𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎: Valor medio de la fuerza electromotriz en voltios
𝐸𝑚: Fuerza electromotriz.
La fuerza electromotriz eficaz es la que se obtiene al final de cada bobina en
este caso solo hay una, es decir si se mide con un voltímetro se da la lectura
de la fuerza electromotriz eficaz sin rectificar es decir sigue siendo alterna,
esta fuerza se deduce con la fórmula 3 (Alonso J. , 2010).
𝐸𝑓= 1.11 𝑥 𝐸𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 [3] Donde:
𝐸𝑓: Fuerza electromotriz eficaz en voltios
𝐸𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎: Fuerza electromotriz media en voltios
Se calcula esta fuerza para los datos ya abordados. El último valor para
obtener es la potencia máxima que brinda el alternador, esto se puede obtener
primero con una tensión regulada se debe recordar que este valor va en un
rango de 13.5v a 14.5v, y el valor de la resistencia de los conductores del estator el valor 0.3Ω a 0.5 Ω.
24 𝑃𝑚𝑎𝑥 =
(𝐸𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎)2
𝑅𝑖 watts [4]
Donde:
𝑃𝑚𝑎𝑥: Potencia máxima en watts
𝐸𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎: Tensión regulada en voltios
𝑅𝑖
:
Resistencia interna en ΩAlternador trifásico.
Los alternadores trifásicos disponen de un sistema con tres tensiones que
están con un desfase de 120 grados, es decir dispone de tres bobinas
dispuestas en la posición del ángulo dicho anteriormente, en estos
alternadores se observa la forma en estrella o triángulo de las bobinas.
Las fórmulas para la obtención de datos de estos alternadores son las
siguientes (Cabello , 2010).
Tanto la fuerza electromotriz, fuerza electromotriz media y fuerza electromotriz
eficaz se obtiene de la misma manera que en los alternadores monofásicos
con la diferencia que la fuerza electromotriz eficaz en los bornes es totalmente
diferente debido a que no se tiene una sola bobina, en la disposición de
estrella se tiene la fórmula 5 (Gil, 2002).
𝐸𝑒𝑛 𝑏𝑜𝑟𝑛𝑒= √3 𝑥 𝐸𝑓 [5]
La intensidad en fase va a ser la misma en todo el circuito debido a que se
encuentran unidas en serie, se puede observar en la fórmula 6 (Gil, 2002).
𝐼𝑚𝑎𝑥 = 𝐼𝑓𝑎𝑠𝑒 [6]
Y la resistencia interna es dos veces la resistencia de una línea porque como
25 𝑅𝑖 = 2 𝑥 𝑅𝑓𝑎𝑠𝑒 [7]
El último dato a obtener es la potencia del alternador y se lo obtiene con la
fórmula 8 (Gil, 2002).
𝑃𝑚𝑎𝑥 =
(𝐸𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎) 2
2 𝑥𝑅𝑖 watts [8]
2.4.2.3 Fallas y soluciones del sistema de carga
Las fallas que se presentan en el sistema de carga vienen dadas por los
mecanismos internos ya sea del puente rectificador, regulador de voltaje,
anillos rozantes, carbones, rotor, estator, etc. Para su diagnóstico se presenta
la tabla 3 que detalla el síntoma, causas posibles, pruebas a realizar y
soluciones.
Tabla 3. Fallas, soluciones y diagnóstico del sistema de carga.
Síntomas Causas posibles Pruebas a realizar Solución
Luz de batería no se enciende con el vehículo parado y el
switch en contacto
Luz quemada
Comprobar si se enciende al poner a masa el borne de salida
Reemplazar luz testigo
Batería descargada Comprobar batería con
voltímetro Cargar batería
Circuito de excitación cortado
Comprobar con lámpara de pruebas si
llega tensión
Reparar cableado
Falta masa en alternador
Comprobar con voltímetro
Realizar conexión masa
Luz de batería encendida aún con el
motor encendido
Verificar si la avería es del alternador o
del regulador
Comprobar tensión en bornes del alternador
auto excitándole momentáneamente.
Seguir el resto de pruebas una vez
26
Tabla 3. Fallas, soluciones y diagnóstico del sistema de carga continuación…
Alternador no carga (no hay tensión en
bornes)
Bobinado del estator en mal estado
Comprobar con la serie
y la batería Sustituir estator
Escobillas no hacen buen contacto en
anillos rozantes
Comprobar continuidad, desgaste
de escobillas
Limpiar o sustituir el componente
defectuoso
Diodos defectuoso Probar con lámpara Sustituir
Alternador no carga
Regulador defectuoso
Comprobar regulador con voltímetro y
amperímetro
Sustituir el regulador
Falta de masa en el regulador Comprobar con voltímetro Realizar conexiones a masa
La batería no se carga o lo hace insuficientemente
Diodos en mal estado
Verificar puente rectificador con batería
y lámpara de pruebas
Sustituir puente rectificador o diodo defectuoso
Regulador en mal estado
Comprobar tensión de
regulación Sustituir regulador
Banda de arrastre
patina (mal estado) Comprobar tensado
Tensar o sustituir banda
Corriente de carga en exceso
Estator o rotor en cortocircuito parcial
Comprobar con batería y amperímetro
Sustituir componente
defectuoso
Estator parcialmente en cortocircuito, con
lo cual, no autorregula
Verificar con batería y amperímetro
Sustituir componente
defectuoso
Regulador en mal estado
Verificar tensión de
regulación Sustituir regulador
Luz de batería brilla débilmente con el
motor en marcha
Resistencias de contacto en el circuito de carga
Verificación de las caídas de tensión
Reparación de la conexión defectuosa
27
2.5 SISTEMA DE ARRANQUE
El motor de un vehículo para poder entrar en funcionamiento necesita de un
sistema auxiliar el cual está constituido por un motor eléctrico, a su vez este
es encendido por un interruptor que lo manipula el conductor a la hora de
arrancar el vehículo provocando una señal eléctrica a dicho motor, este en su
interior hace funcionar un piñón en un extremo para dar las primeras vueltas
al volante del motor de combustión interna y permitir al automóvil salir de su
inercia. En la figura 23 se observa el posicionamiento de un motor de arranque
en el motor de combustión interna (Alonso M. , 2002).
Figura 23. Posición del motor de arranque en el vehículo.
(Alonso M. , 2002)
El sistema de arranque tiene componentes que permiten el funcionamiento
del mismo como lo son la batería, interruptor y motor de arranque. El
interruptor permite al conductor cerrar el circuito para que se encienda el
automóvil a su voluntad como se observa en la figura 24 (Alonso M. , 2002).
Figura 24. Esquema del circuito de arranque.
28
2.5.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
El motor de arranque basa su funcionamiento en el electromagnetismo. Si se
dispone de viruta de hierro en cualquier proporción y se lo acerca a un imán
este lo atrae por sus polos, igualmente si se dispone de dos imanes o
electroimanes este tiene la característica de polos iguales repelerse o polos
opuestos atraerse por medio de su campo magnético. En este principio
funciona el motor de arranque (Bosch, 2005).
2.5.2 ESTRUCTURA DEL MOTOR DE ARRANQUE
Las partes más importantes de un motor de arranque es el motor eléctrico de
corriente continua, un mecanismo de activación y un sistema de engrane y
desengrane en la siguiente figura 25 se observa un la estructura de este motor
de arranque (Augeri, 2010).
Figura 25. Estructura de motor de arranque.
(Alonso M. , 2002)
Estator
Está constituido por una carcasa metálica cilíndrica, en esta se ubica el
conjunto inductor, son bobinas arrolladas en un metal dulce, estas deben tener
29 para que el rotor que gira en su interior tenga el movimiento adecuado. El
inductor debe generar un campo magnético estacionario, usualmente se usan
estatores de cuatro polos unidos en serie como se puede ver en la figura 26
(Augeri, 2010).
Figura 26. Estator del motor de arranque.
(Alonso M. , 2002)
Rotor o inducido
Es un eje fabricado de acero en el cual se ubican diferentes elementos, en
uno de sus extremos se encuentra el colector y en el otro extremo se cuenta
con un piñón que engranara con el volante de inercia, además se tiene
láminas con ranuras dispuestas en un tambor en el cual se alojan espiras o el
bobinado por donde circula corriente a través de las escobillas y el colector.
En la figura 27 se observa la estructura de un rotor (Augeri, 2010).
Figura 27. Rotor del motor de arranque.
(Alonso M. , 2002)
Carcasa del extremo de accionamiento.
Es una parte que se fabrica por fundición de aluminio que aloja un cojinete de
bronce que permite apoyar y girar el inducido además cierra por un extremo
30 Tiene partes mecanizada para poder ser acoplada al motor de combustión,
además aloja en su interior una horquilla que permite mover el bendix hacia
el volante de inercia y dar los primeros giros del motor, se puede observar en
la figura 28 su esquema (Augeri, 2010).
Figura 28. Carcasa del lado de accionamiento.
(Alonso M. , 2002)
Piñón de engranaje
Es un piñón que dispone de un reducido número de diente, que va montado
sobre el estriado del inducido en el cual se desplazara hasta entrar en contacto
con el volante de inercia y hacerlo girar es decir transmitir el par de giros y las
revoluciones del inducido a la corona de motor de combustión interna y así
hacerlo funcionar (Augeri, 2010).
Escobillas
Son las que permiten el paso de corriente y generar los campos magnéticos
necesarios para mover el inducido, por lo general se puede llegar a encontrar
cuatro, dos conectadas a las bobinas inductoras en el estator y dos
conectadas a masa (Bosch, 2005).
Contactor o automático del arranque
También se lo conoce como relé de arranque, que tiene como finalidad
31 soporta altísimas corriente, también mueve la horquilla que empuja el piñón
bendix (Bosch, 2005).
2.5.3 FÓRMULAS MOTOR DE ARRANQUE
Se debe tener en cuenta que de toda la energía que absorbe el motor de
arranque no se transforma en energía mecánica porque existen pérdidas tanto
en el circuito exterior como interior, dando lugar a una potencia útil pero
reducida. Es por ello que la potencia mínima se obtiene con la fórmula 9 (Juan
Pérez, 2011).
𝑊 = 𝑊𝑣 + 𝑊𝑎 [9] Donde:
W: Potencia mínima del motor
𝑊𝑣: Potencia para arrancar el motor térmico
𝑊𝑎: Potencia consumida por el motor de arranque
Por lo general la potencia para arrancar un motor de combustión interna oscila
en ciertos rangos que se aprecia en la tabla 4 (Alonso J. , 2010).
Tabla 4. Potencia para arrancar un motor de combustión interna.
Tipo de vehículo
Potencia
CV Kw
Vehículos ligeros 0.5 – 1 0.4 – 0.8
Vehículos medios 1 – 3 0.8 – 2.2
Vehículos pesados 3 - 6 2.2 - 5
32 Como se aprecia en la tabla 6 la potencia es muy elevada por ende la
intensidad necesaria debe ser alta, y por ellos que el conductor debe ser de
gran sección para que exista poca pérdida de potencia, es decir que máximo
se admite una caída de tensión de 2.5%, es decir la potencia absorbida viene
dada con la fórmula 10 (Augeri, 2010).
𝑊𝑎𝑏 = 𝑉2
𝑅𝑖 [10]
Dónde:
𝑊𝑎𝑏: Potencia absorbida
V: Tensión en bornes del motor
𝑅𝑖: Resistencia interna del motor
Se tiene en cuenta que, en el momento del arranque, el equipo más afectado
en este sistema es la batería por el excesivo consumo de corriente y con ello
la descarga de la misma, y por este motivo que no se debe exceder en los
momentos de arranque (Santander, 2008).
Por otro lado, si se desea saber la potencia que necesita el motor de arranque
para mover o hacer funcionar el motor de combustión interna se debe conocer
las características constructivas de dicho motor, uno de ellos el par que se
opone o par resistente al giro.
Para ello se conoce que las rpm mínimas para mover el volante de inercia es de 120 – 150 rpm, y se determina con la fórmula 11 (Astudillo M. , 2010).
𝐶𝑚 = 𝐾 𝑥 𝑉𝑡 [11]
Dónde:
𝐶𝑚: Par resistente del motor en kgf x m. K: Cilindrada total del motor en litros.
𝑉𝑡: Coeficiente determinado el tipo de motor, en motores de gasolina el valor oscila entre 3 – 5 y motores diésel de 5 – 10.
Por lo tanto, para determinar la potencia de este par resistente que debe
vencer el motor de arranque se deduce con la fórmula 12 (Alonso M. , 2002).
33 𝑃𝑓 =
𝐶𝑚 𝑥 𝑛
716.2 (𝐶𝑉) [12]
Dónde:
𝑃𝑓: Potencia resistente al giro
n: Revoluciones por minuto
Pero para que el motor de arranque logre vencer esto la potencia debe ser
mayor.
Es por ello que para este cálculo se necesita conocer el rendimiento del motor
de arranque como el coeficiente de seguridad para trabajar en bajas
temperaturas, como se observa en la fórmula 13 (Alonso M. , 2002).
𝑊𝑎= 𝐴 𝑥 𝑃𝑓
𝜂 (CV) [13]
Dónde:
A: Coeficiente de seguridad
𝜂: Rendimiento del motor
Se conoce por lo visto anteriormente que el principio de funcionamiento del
motor de arranque es por fuerzas de atracción y repulsión de campos
magnéticos generando una rotación del rotor de acuerdo a la intensidad que
se le aplica.
Esto a su vez cuando el rotor se pone en marcha se genera dentro de él una
f.e.m en sentido contrario a la que viene desde el borne del motor de arranque
y es conocida como fuerza contra electromotriz, esta f.c.e.m. es variable de
acuerdo a las rpm del rotor y se calcula con la fórmula 14 (Alvarenga, 2006).
𝐸′= 𝜙 𝑥 𝑁 𝑥 𝑛 𝑥 2𝑝
60 𝑥 108 [14]
Dónde:
𝐸′: Fuerza contraelectromotriz en voltios
𝜙: Flujo magnético en weber
N: Número de conductores en el inducido
n: Revoluciones por minuto
34 Obteniendo este valor se puede calcular la corriente absorbida, que a su vez
es menor mientras más revoluciones gire el rotor como se observa en la
fórmula 15 (Astudillo M. O., 2010).
𝐼𝑎 = 𝑉− 𝐸′
𝑅𝑖 [15]
Donde:
𝐼𝑎: Intensidad absorbida en amperios
Con esta fórmula se puede tener dos potencias, las cuales son potencias
absorbida en vacío y potencia absorbida antes del arranque.
La potencia absorbida antes del arranque el rotor no se mueve por ende se
tiene 0 rpm y un valor de 𝐸′ = 0, la potencia y corriente se observa en la
fórmula 16 (Astudillo M. , 2010).
𝐼𝑚𝑎𝑥 = 𝑉
𝑅𝑖 [16]
𝑊max 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑎 = 𝑉 𝑥 𝐼 = 𝑉2
𝑅𝑖
Teniendo en cuenta la ecuación cuando el rotor está girando se procede hacer
un análisis de ecuaciones que será el siguiente:
𝐼𝑎 =
𝑉 − 𝐸′ 𝑅𝑖 𝑉 = 𝐼𝑎 𝑥 𝑅𝑖 + 𝐸′
A esta última ecuación se le multiplica por 𝐼𝑎, quedando la fórmula 17 (Alonso
M. , 2002).
𝑉 𝑥 𝐼𝑎 = 𝐼𝑎2 𝑥 𝑅𝑖 + 𝐼𝑎 𝑥 𝐸′
𝑊𝑎𝑏 = 𝑊𝑖+ 𝑊𝑎 [17] Donde:
𝑊𝑎𝑏: Potencia máxima absorbida por motor de arranque
35 Como se observa la potencia máxima depende de los valores de 𝐼𝑎 y 𝐸′, es
por ello que se debe establecer una ecuación menos fraccionada con los
pasos siguientes (Alonso M. , 2002).
𝐼𝑎 = 𝑉 − 𝐸′ 𝑅𝑖 = 𝑉 𝑅𝑖 − 𝐸 ′ 𝑅𝑖
A esta ecuación se multiplica por 𝐸′, se tiene lo siguiente.
𝐼𝑎𝑥 𝐸′= 𝑉 𝑅𝑖
𝑥 𝐸′− (𝐸 ′)2 𝑅𝑖
Y separando todo en un mismo lado se tiene la siguiente ecuación.
(𝐸 ′)2 𝑅𝑖 −
𝑉 𝑅𝑖 𝑥 𝐸
′+ 𝐼
𝑎𝑥 𝐸′= 0
Resultando que la potencia máxima se da en esta situación, entonces la
intensidad absorbida debe ser como se observa en la siguiente fórmula.
𝐼𝑎 = 𝑉 2 𝑥 𝑅𝑖
Además de estas dos últimas fórmulas planteadas para calcular la potencia
máxima que entrega el motor de arranque, se debe conocer el torque que este
tiene. Este par se pude determinar por medio de un dinamómetro o a su vez
con la fórmula 18 (Paz, 2010).
𝐶𝑚 =
𝑊𝑎 𝑥 716.2
0.736 𝑥 𝑛 [18]
2.5.4 FALLAS Y SOLUCIONES DEL SISTEMA DE ARRANQUE
Las fallas que se presentan en el sistema de arranque vienen dadas por los
