UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO Y
ELECTRÓNICO DE UN VEHÍCULO MONOPLAZA PARA LA
COMPETENCIA FÓRMULA SAE
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
JOSÉ DAVID ORDÓÑEZ GONZÁLEZ
DIRECTOR: ING. MILTON REVELO
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1726519323
APELLIDO Y NOMBRES: Ordóñez González José David
DIRECCIÓN: Juan Barrezueta N70-297
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 6041283
TELÉFONO MOVIL: 0998103654
DATOS DE LA OBRA
TITULO: Diseño y construcción del sistema eléctrico y electrónico de un vehículo monoplaza para
la competencia fórmula SAE
AUTOR O AUTORES: José David Ordóñez González
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Febrero 2017
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Ing. Milton Revelo
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: Mínimo 250 palabras El presente proyecto respondió a la necesidad de construir el sistema eléctrico y el sistema electrónico o de gestión para un prototipo de un vehículo monoplaza fórmula SAE para la competición que lleva el mismo nombre y que es organizada por la Sociedad de Ingenieros Automotrices, SAE por sus siglas en inglés, mediante la aplicación práctica de los conocimientos teóricos se hizo posible la construcción del sistema eléctrico aplicando cálculos, simulación computarizada utilizando programas llamados LiveWire y Bright Spark y por ultimo realizando la elección y unión de las diferentes partes y elementos necesarios. Dado que la SAE tiene su reglamento particular, se hizo necesario la revisión exhaustiva del mismo con la finalidad de cumplir con los parámetros ahí descritos, como resultado se presentó la construcción
de un circuito eléctrico seguro, en el cual se observó la ubicación y correcta conexión de 2 interruptores maestros, los elementos de alimentación de energía tales como la batería y alternador, como debían conectarse y ubicarse, de la misma manera se investigó la programación del sistema de encendido por descarga de capacitor o CDI por sus siglas en inglés, programación que permitió, de ser el caso la modificación, en función de los parámetros de alimentación de combustible al motor. Se mostró también la implementación del sistema en el prototipo fórmula SAE con un exitoso funcionamiento donde, se verificaron valores utilizando equipos como voltímetro y amperímetro y se compararon con los valores calculados previamente, donde se aprecian datos significativos como la tensión de 12 volts en todo el sistema los cuales son suministrados por batería y alternador, corrientes necesarias de hasta 13 amperios para motor de arranque y la corriente 15 amperios estables que el alternador es capaz de proveer, además de conocer la corriente que atraviesa cada uno de los interruptores, así como el voltaje que en las bobinas de encendido se ve aumentado considerablemente.
PALABRAS CLAVES: Fórmula SAE, corriente eléctrica, monoplaza, CDI, Interruptores.
such as battery and alternator, how were they connected and the exact location of each one, in the same way the investigation of the ignition system by capacitor discharge or CDI by its acronym in English was made, programming that could be modified according to the parameters of fuel supply to the engine. Is also shown the implementation of the system in a formula SAE prototype with a successfully operation, where actual values were verified using equipment such as voltmeter and ammeter and were compared with pre-calculated values where 12 volt voltage in the system, supplied by battery and alternator set, and needed currents up to 13 amperes for the electric starter or the stable 15 amperes given by the alternator are significant data, besides of knowing the actual current that goes through each one of the master switches, as well as the voltage that is considerably increased in the ignition coils. KEYWORDS Formula SAE, electric current, single-seater,
CDI, switches.
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.
f:__________________________________________ ORDÓÑEZ GONZÁLEZ JOSÉ DAVID
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, ORDÓÑEZ GONZÁLEZ JOSÉ DAVID, CI: 1726519323 autor del proyecto titulado: Diseño y Construcción del Sistema Eléctrico y Electrónico de un Vehículo Monoplaza para la Competencia Fórmula SAE 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, febrero de 2017
f:__________________________________________ ORDÓÑEZ GONZÁLEZ JOSÉ DAVID
DECLARACIÓN
Yo JOSÉ DAVID ORDÓÑEZ GONZÁLEZ, 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.
_________________________ José David Ordóñez González
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño y Construcción del Sistema Eléctrico y Electrónico de un Vehículo Monoplaza para la Competencia Fórmula SAE”, que, para aspirar al título de INGENIERO AUTOMOTRIZ fue desarrollado por JOSÉ DAVID ORDÓÑEZ GONZÁLEZ, 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. Milton Revelo
DIRECTOR DEL TRABAJO
AGRADECIMIENTO
Primero agradezco a Dios por darme la fuerza y el entendimiento para seguir siempre adelante día a día.
Agradezco a mi madre Tamara por su incansable labor, su apoyo y ayuda incondicional y por qué sin su guía y su confianza nada de esto se hubiera logrado.
Agradezco a mis compañeros y amigos, Jonathan, Andrés Mesa y Moncayo, Sebastián, Franklin que creyeron en la posibilidad de este proyecto y colaboraron activamente en la realización del mismo para sacarlo adelante juntos.
DEDICATORIA
Este trabajo está dedicado a mi madre Tamara, porque es fruto de su esfuerzo y sacrificio para sacarme adelante, es para mí un orgullo poder devolverle un poco de ese esfuerzo con el cumplir las metas que ella siempre deseo para mí.
Lo dedico también a mi abuelita Teresa y a mi tío Jorge, quienes a lo largo de mi vida estuvieron para apoyarme, ayudarme y guiarme de la mejor manera sirviendo como ejemplo de lo que es ser una gran persona.
Se lo dedico también a todos mis familiares y amigos que de una u otra manera creyeron en mí y me dieron su apoyo a lo largo de mi vida estudiantil. Y se lo dedico a mi amiga Dayana que con su apoyo y ayuda permanente fue parte fundamental en la consecución de este trabajo y a mi mejor amigo Aarón, quien a lo largo de mi vida ha sido un apoyo en cualquier circunstancia, y que desafortunadamente no puede presenciar este éxito.
i
ÍNDICE DEL CONTENIDO
PÁGINA
RESUMEN 1
ABSTRACT 2
1. INTRODUCCIÓN 3
2. METODOLOGÍA 10
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 13
3.1 CÁLCULOS DE POTENCIA Y CORRIENTE QUE
PROVEE EL ALTERNADOR 14
3.2 CÁLCULO DE POTENCIA Y CORRIENTE QUE
REQUIERE EL SISTEMA DE ARRANQUE 15 3.3 SELECCIÓN DE LOS CONDUCTORES PARA EL
SISTEMA DE ARRANQUE 16
3.4 SELECCIÓN DE LOS CONDUCTORES PARA EL
SISTEMA DE RECARGA DE LA BATERÍA 18 3.5 INTERRUPTOR MAESTRO PRIMARIO 19 3.6 INTERRUPTOR MAESTRO SECUNDARIO 22 3.7 BOTÓN DE ARRANQUE E INTERRUPTOR DE
IGNICIÓN. 24
3.8 ELEMENTOS DE INFORMACIÓN PARA EL PILOTO 25 3.9 DISEÑO Y SIMULACIÓN DE CIRCUITOS 26 3.10 CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA
ELÉCTRICO Y ELECTRÓNICO 36 3.11 GESTIÓN ELECTRÓNICA EN EL SISTEMA DE
ENCENDIDO 40
3.12 COMPROBACIÓN DE FUNCIONAMIENTO
APROPIADO DEL SISTEMA 46
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 48
4.1 CONCLUSIONES 48
4.2 RECOMENDACIONES 49
5. BIBLIOGRAFÍA 50
ii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Ficha técnica sistema eléctrico motocicleta Kawasaki
GPX 600R 13
Tabla 2. Comparativa de datos sobre alternador 15
Tabla 3. Comparativa de datos sobre motor de arranque 16
Tabla 4. Tabla de sección transversal de cables en función de la
longitud y la intensidad de corriente 18
Tabla 5. Datos técnicos de baterías 23
Tabla 6. Características técnicas de simuladores 26
Tabla 7. Datos de voltajes de salida del CDI 40
iii
INDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Esquema del interruptor maestro primario 19
Figura 2. Interruptor maestro primario 20
Figura 3. Símbolo del interruptor maestro primario 20
Figura 4. Interruptor maestro secundario 22
Figura 5. Botón de arranque e ignición 24
Figura 6. Diagrama eléctrico del botón de arranque e ignición 25
Figura 7. Tacómetro KOSO (Koso NorthAmerica, 2015) 25
Figura 8. Interruptores maestros colocados antes del botón de arranque en Simulador Brigth Spark. 28
Figura 9. Circuito de bomba de combustible en funcionamiento en
simulador. 28
Figura 10 Circuito de bomba de combustible desactivado por
interruptor maestro secundario en simulador. 29
Figura 11. Circuito de bomba de combustible desactivado por interruptor maestro primario en simulador. 29
Figura 12. Circuito de bomba de combustible e inyectores en
funcionamiento en simulador. 30
Figura 13. Circuito de bomba de combustible e inyectores
desactivados por interruptor maestro secundario en simulador. 31
Figura 14. Circuito de bomba de combustible e inyectores
desactivados por interruptor maestro primario en simulador. 31
Figura 15. Circuito de bomba de combustible, inyectores y bobinas de encendido en funcionamiento en simulador. 33
Figura 16. Circuito de bomba de combustible, inyectores y bobinas de encendido desactivadas por interruptor maestro
secundario en simulador. 34
Figura 17. Circuito de bomba de combustible, inyectores y bobinas de encendido desactivadas por interruptor maestro
primario en simulador. 35
Figura 18. Interruptor maestro primario. 37
Figura 19. Símbolo del Interruptor maestro primario ubicado en
el vehículo. 37
Figura 20. Interruptor maestro secundario. 38
Figura 21. Tablero de instrumentos instalado en el monoplaza. 38
Figura 22. Luz de freno instalada. 39
Figura 23. Sistema de encendido electrónico CDI de Kawasaki GPX 600R encontrado en motor. 40
Figura 24. Datos principales originales del programa para
iv
Figura 25. Datos principales reemplazados en programa para
el CDI en PIC16f84 42
Figura 26. Archivos de registro en programa para el CDI en PIC16f84 42
Figura 27. Registro de datos en programa para el CDI en PIC16f84 43
Figura 28. Registro de definiciones y de memoria en programa
para el CDI en PIC16f84 44
Figura 29. Calculo de RPM en programa para el CDI en PIC16f84 45
v
INDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO 1. EXTRACTO DEL REGLAMENTO PARA LA FÓRMULA SAE, ARTÍCULOS CONCERNIENTES PARA EL SISTEMA
ELÉCTRICO Y ELECTRÓNICO 52
ANEXO 2. TABLA DE CONDUCTORES DISPONIBLES EN EL
MERCADO SEGÚN CALIBRE Y SECCIÓN 57
1
RESUMEN
El presente proyecto respondió a la necesidad de construir el sistema eléctrico y el sistema electrónico o de gestión para un prototipo de un vehículo monoplaza fórmula SAE para la competición que lleva el mismo nombre y que es organizada por la Sociedad de Ingenieros Automotrices, SAE por sus siglas en inglés, mediante la aplicación práctica de los conocimientos teóricos se hizo posible la construcción del sistema eléctrico aplicando cálculos, simulación computarizada utilizando programas llamados LiveWire y Bright Spark y por ultimo realizando la elección y unión de las diferentes partes y elementos necesarios. Dado que la SAE tiene su reglamento particular, se hizo necesario la revisión exhaustiva del mismo con la finalidad de cumplir con los parámetros ahí descritos, como resultado se presentó la construcción de un circuito eléctrico seguro, en el cual se observó la ubicación y correcta conexión de 2 interruptores maestros, los elementos de alimentación de energía tales como la batería y alternador, como debían conectarse y ubicarse, de la misma manera se investigó la programación del sistema de encendido por descarga de capacitor o CDI por sus siglas en inglés, programación que permitió, de ser el caso la modificación, en función de los parámetros de alimentación de combustible al motor. Se mostró también la implementación del sistema en el prototipo fórmula SAE con un exitoso funcionamiento donde, se verificaron valores utilizando equipos como voltímetro y amperímetro y se compararon con los valores calculados previamente, donde se aprecian datos significativos como la tensión de 12 volts en todo el sistema los cuales son suministrados por batería y alternador, corrientes necesarias de hasta 13 amperios para motor de arranque y la corriente 15 amperios estables que el alternador es capaz de proveer, además de conocer la corriente que atraviesa cada uno de los interruptores, así como el voltaje que en las bobinas de encendido se ve aumentado considerablemente.
2
ABSTRACT
The present project responded to the needing to build the electrical and electronic management system for a prototype of a single-seater formula SAE vehicle for the competition named under the same name, and which organizer is the Society of Automotive Engineers, SAE for its acronym in English, trough the practical application of knowledge it became possible to build the electrical system applying calculations, computer simulation using programs called LiveWire and Bright Spark, and finally made the appropriate selection and union of different parts and necessary elements. Since SAE has its own private regulation, it became necessary to thoroughly review it in order to comply with the parameters described therein, the result was the construction of a safe electric circuit, in which the location and appropriate connection of 2 master switches was observed, the power supply elements such as battery and alternator, how were they connected and the exact location of each one, in the same way the investigation of the ignition system by capacitor discharge or CDI by its acronym in English was made, programming that could be modified according to the parameters of fuel supply to the engine. Is also shown the implementation of the system in a formula SAE prototype with a successfully operation, where actual values were verified using equipment such as voltmeter and ammeter and were compared with pre-calculated values where 12 volt voltage in the system, supplied by battery and alternator set, and needed currents up to 13 amperes for the electric starter or the stable 15 amperes given by the alternator are significant data, besides of knowing the actual current that goes through each one of the master switches, as well as the voltage that is considerably increased in the ignition coils.
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1. INTRODUCCIÓN
Dado el requerimiento de implementar un prototipo fórmula SAE perteneciente a Ingeniería Automotriz de la Universidad Tecnológica Equinoccial, nace la necesidad de diseño del sistema eléctrico del mismo, esto debido a que el sistema eléctrico forma parte primordial del funcionamiento del motor, y es además el principal responsable de la seguridad activa dentro del vehículo, mientras que en los vehículos de turismo forma parte importante en términos de búsqueda continua de la seguridad y confort dentro del vehículo, en los automóviles de competencia cumple con el control permanente de la seguridad de los ocupantes, al mismo tiempo que controla los diferentes sistemas y posibles estados de funcionamiento del vehículo.
Por motivo de las diversas posibilidades de motorización cuyas características incluyen una gran cantidad de elementos electrónicos, se vuelve necesario el establecer los componentes principales correspondientes a un vehículo de competencia, en el caso del presente proyecto enfocado en un vehículo de tipo fórmula SAE motivo por el cual, trabajando en conjunto con proyectos de otros sistemas, se plantea lograr la construcción de un prototipo fórmula SAE. El objetivo general del proyecto fue diseñar y construir un sistema eléctrico y electrónico para un prototipo de monoplaza fórmula SAE, cumpliendo los requerimientos dictaminados por la Sociedad de Ingenieros Automotrices o SAE por sus siglas en inglés; en su reglamento aplicado a la competencia estudiantil Fórmula SAE uniendo de la mejor manera los conocimientos teóricos adquiridos en la universidad, con las habilidades prácticas que la construcción del sistema requiere. Además, se vuelve necesario, como primer objetivo específico, analizar los elementos disponibles en el mercado con el fin de diseñar el sistema eléctrico, tomando en cuenta parámetros tecnológicos, físicos y económicos, utilizando simulación computarizada y los elementos al alcance en el medio; para luego completar el segundo objetivo específico del trabajo, que es construir el sistema eléctrico y electrónico en el conjunto de sistemas tales como chasis, tren motriz, frenos, suspensión y dirección, los cuales formaran al final el prototipo fórmula SAE.
4 aplicada al monoplaza, para el año 2015-2016, el cual sirve de base de conocimientos para todo el proceso que a continuación se describe tanto en metodología como en la sección de resultados y discusión.
A partir de este reglamento se establece que el sistema eléctrico se realiza en un prototipo, el cual cuenta con las bases más importantes tomadas del reglamento mencionado, pero que, debe ser mejorado y actualizado para su apropiada competición internacional, la cual, por motivos económicos y de logística se vio imposibilitada en el proceso de realización de este trabajo. El sistema eléctrico y electrónico aquí descrito es aplicado sobre un motor de 600 𝑐𝑚.3 alimentado por carburadores independientes, y cuyo sistema de
encendido es electrónico, mediante un ignitor por descarga de capacitor o CDI.
El sistema eléctrico puede dividirse en sub-sistemas para una facilidad de estudio, los cuales se pudieron analizar brevemente a continuación:
Sub-sistema de generación y carga
Sub-sistema de arranque
Sub-sistema de encendido
Sub-sistema de seguridad
Se entienden como integrantes principales del sub-sistema de generación y carga a elementos como la batería la cual según (Gil, Manual Práctico del Automóvil, 2012) es “una fuente de energía independiente del motor de combustión, que, en caso de necesidad, como cuando abastece de energía eléctrica a los consumidores, tales como el motor de arranque, la bobina de encendido, el alumbrado, etc.” También se incluye al alternador como elemento responsable de la carga de la batería mientras el motor térmico se encuentra en funcionamiento, este transforma la energía mecánica que produce el giro del motor térmico, en energía eléctrica que suministra al vehículo mientras este se encuentra en marcha. “El alternador en un vehículo debe estar diseñado para proporcionar corriente eléctrica necesaria para la carga de la batería, así como suministrar corriente a todos los sistemas eléctricos que lo requieran. “Es así como el vehículo obtiene permanentemente la energía que requiere para cumplir con su función.”
(Mateos Aparicio, 2014)
El sub-sistema de seguridad es el encargado de evitar los posibles daños, tanto en el sistema, como en los demás sistemas que dependen de la energía que el sistema eléctrico provee, en este destacan los fusibles que son dispositivos de seguridad, cuyo objetivo es proteger los circuitos y equipamiento electrónico del automóvil como radio, luces, bocina y más. Entre los sub-sistemas, del sistema eléctrico también está el sub-sistema de encendido:
5 un ruptor y de un condensador, sino que la hace la unidad de mando
motor en función de las señales entregadas por los sensores… (Gil, Tunning una pasión sobre ruedas, 2006)
Los sistemas de encendido más modernos, eliminan el uso del distribuidor y dan paso al control electrónico, se comandan mediante una unidad de control electrónico y encienden directamente las bobinas independientes como (González Calleja, 2015) dice:
El encendido de chispa perdida o simultaneo consistían en una bobina doble, donde un terminal positivo alimenta los arrollamientos primarios y dos negativos que cierran a masa los circuitos primarios respectivos a través de la unidad de control. Tomando como referencia un motor de cuatro cilindros, la bobina doble está compuesta de dos bobinas simples, que se encargan de suministrar la tensión de encendido a dos pares de cilindros.
Por otra parte, en automóviles con tecnología más avanzada se presenta la inyección electrónica de combustible, la cual dependiendo del autor puede ser o no incluida dentro de este sub-sistema.
Los sistemas de inyección indirecta electrónica multipunto disponen de un inyector para cada cilindro, que introduce el combustible antes de la válvula de admisión. A diferencia de la inyección indirecta mecánica o del carburador, los inyectores se activan de forma eléctrica, siendo su funcionamiento controlado por la unidad de control. (González Calleja, 2015)
Una vez revisados los conceptos para sistema eléctrico, se procede a revisar el concepto de sistema electrónico, el cual puede resumirse como aquel que, utilizando las señales recibidas desde elementos de entrada o sensores, realiza una acción mediante actuadores, comandados por una unidad de control o procesamiento. En los vehículos dicho sistema es conocido como unidad de control electrónico o ECU por sus siglas en inglés:
“Las centrales electrónicas son los elementos que reciben información de los sensores, la procesan y según un programa determinado actúan sobre los
actuadores de una forma u otra” (Gil, Manual Práctico del Automóvil, 2012) Estas centrales utilizan microcontroladores los cuales se responsabilizarán de hacer cumplir, una acción en un elemento y circunstancia determinada mediante la información que reciben de uno o varios sensores.
6 Para complementar lo visto anteriormente, y tal como se explica en metodología mediante ecuaciones, se requiere explicar conceptos como
Potencia eléctrica, que es la cantidad de energía eléctrica que pasa a través de un elemento en una cantidad de tiempo o como lo explica (Boylestad, 2011): “La potencia es una indicación de cuanto trabajo (conversión de
energía de una forma a otra) puede efectuarse en una cantidad específica de
tiempo.” Tensión eléctrica, es la presión que una fuente de energía eléctrica aplica sobre un elemento en un circuito eléctrico. Corriente eléctrica, se puede resumir como la circulación de carga a través de un circuito eléctrico entre los polos de una fuente de energía eléctrica. Resistencia eléctrica, se puede definir como la oposición al paso de corriente en un elemento de un circuito eléctrico. Las respectivas ecuaciones y unidades de estos conceptos, se pueden verificar en la metodología del presente trabajo, y en los cálculos realizados en la sección de resultados.
Una de las ecuaciones más comunes y más necesarias en cualquier ámbito
eléctrico es sin duda la “Ley de Ohm” la cual esta descrita de la siguiente
manera:
Toda conversión de energía de una forma a otra puede relacionarse con esta ecuación. En circuitos eléctricos, el efecto que tratamos de establecer es el flujo de carga, o corriente. La diferencia de potencial, o voltaje, entre dos puntos es la causa (“presión”) y la oposición es la
resistencia encontrada. (Boylestad, 2011). Para encontrar la corriente que requieren elementos como el motor de arranque, y las bobinas de encendido es necesario aplicar la ecuación [1]:
Y se representa:
𝐼 =
𝐸
𝑅
[1]
Donde:
𝐼: Intensidad de corriente en amperios, (A)
𝐸: Tensión eléctrica en voltios, (V) 𝑅: Resistencia eléctrica en ohmiuos, (Ω)
En otras palabras, la corriente es proporcional al voltaje aplicado e inversamente proporcional a la resistencia. Mediante manipulaciones matemáticas simples, el voltaje y la resistencia se determinan en función de las otras dos cantidades:
𝐸 = 𝐼 × 𝑅
7 Observe que el símbolo 𝐸 se aplica a todas las fuentes de voltaje y el símbolo 𝑉 se aplica a todas las caídas de voltaje a través de los
componentes de la red. Ambos se miden en voltios y pueden aplicarse de forma intercambiable en las ecuaciones. (Boylestad, 2011)
Mediante el análisis de tecnologías disponibles en el mercado local se puede solventar las necesidades de construcción dentro del límite de los recursos disponibles lo que permitirá tener como resultado un sistema eléctrico acorde a las necesidades.
Para realizar una elección de conductores apropiada se vuelve necesario el cálculo de los diferentes conductores a ser utilizados, para lo cual se requieren datos de potencia y sección transversal disponibles, los cuales se calculan mediante la ecuación [2]:
𝑃 =
𝑊
𝑡
[2]
Donde:
𝑃: Potencia eléctrica en watts o ( 𝐽
𝑠
)
𝑊: Trabajo realizado en Joule (J)
𝑡: Tiempo en segundos (s)
Y sus variantes por manipulaciones matemáticas dejan los valores de potencia expresados en función de la tensión eléctrica, intensidad de corriente y resistencia eléctrica:
𝑃 = 𝐸 × 𝐼
𝑃 =
𝑉
2
𝑅
𝑃 = 𝐼
2× 𝑅
Donde:
𝐼: Intensidad de corriente en amperios, (A)
𝐸: Tensión eléctrica en voltios, (V)
𝑅: Resistencia eléctrica en ohmios, (Ω) 𝑉: Caída de voltaje en un componente (V)
“La potencia asociada con cualquier fuente no es simplemente una función de su voltaje. Está determinada por el producto de su voltaje y su capacidad de corriente máxima.” (Boylestad, 2011)
8 puede estar en serie o paralelo, existen ecuaciones que se vuelven necesarias para cálculos de elementos de seguridad, como interruptores y bobinas de
encendido. “Un circuito consta de cualquier número de elementos conectados
en puntos terminales, ofreciendo al menos una ruta cerrada por la cual pueda
fluir una carga.” (Boylestad, 2011) Si el circuito es serie se dice que:
“1. Solo cuentan con una terminal en común, es decir solo 1 terminal de 1
elemento va conectada a 1 solo terminal del otro elemento.
2. El punto común entre los 2 elementos no se encuentra conectado a otro
elemento que transporta corriente.” (Boylestad, 2011)
Para calcular la resistencia equivalente en un circuito serie se utiliza la ecuación [3]:
𝑅
𝑇= 𝑅
1+ 𝑅
2+ 𝑅
3+ ⋯ + 𝑅
𝑛[3]
Por tanto, para calcular la resistencia equivalente en un circuito paralelo se utiliza la ecuación [4]:
1
𝑅
𝑇=
1
𝑅
1+
1
𝑅
2+
1
𝑅
3+ ⋯ +
1
𝑅
𝑛[4]
Considerando que los elementos conductores de cobre tienen una resistencia según su longitud y su diámetro, se vuelve necesario el revisar la resistencia que estos ofrecen como parte del sistema, para asegurar que no existan caídas de tensión debido a extensiones longitudinales exageradas de los cables, para ello se calcula la resistencia eléctrica de los conductores mediante la ecuación [5]:
𝑅 = 𝜌
𝐿
𝑆
[5]
Donde:
𝑅: Resistencia eléctrica en ohmios, (Ω) 𝐿: Longitud del conductor (m)
𝑆: Sección transversal del conductor (𝑚𝑚.2)
𝜌: Constante de resistividad del material en ohmios-metro(Ω×m)
Dado que los conductores aumentan su resistencia según la temperatura, se puede calcular esta resistencia mediante la ecuación [6]:
9 Donde:
𝑅: Resistencia eléctrica en ohmios, (Ω)
𝑅𝑜: Resistencia a la temperatura de referencia (Ω)
𝛼: Coeficiente de temperatura de la resistencia según el material (Ω. ×°C.) 𝑡: Temperatura final en °C.
Todo lo revisado en esta parte introductoria sirvió para la construcción del sistema en la base de un prototipo de monoplaza fórmula SAE, cuyos sistemas primordiales se consideraron la estructura y el tren motriz del monoplaza, la estructura fue desarrollada como trabajo de titulación de la Universidad Tecnológica Equinoccial por (Mesa, 2017) donde refiere que “la estructura será conformada por un chasis tubular”; y el tren motriz es un
proyecto de titulación desarrollado por (Lara, 2017, pág. 16) que dice: “El motor elegido para propulsar el monoplaza fue un Kawasaki GPX 600R del año 1990, la elección de este motor ha sido determinada sobre todo por la
disponibilidad y el costo.” Además, forman parte de los sistemas
complementarios los frenos descritos en el trabajo “Diseño y construcción del sistema de frenos de un vehículo monoplaza para la competencia fórmula
SAE”realizado por (Valencia, 2017), la suspensión cuyas especificaciones se encuentran en el trabajo de titulación de (Moncayo, 2017) “Diseño y construcción del sistema de suspensión de un vehículo monoplaza para la competencia fórmula SAE” donde señala que “la suspensión del formula SAE
es independiente en cada rueda mediante amortiguadores monoshock” y el sistema de dirección titulado: “Diseño y construcción del sistema de suspensión de un vehículo monoplaza para la competencia fórmula SAE”
10
2. METODOLOGÍA
En la elaboración de un diseño para un sistema eléctrico y electrónico, se requirió analizar las diferencias principales entre un vehículo de competencia y un vehículo de turismo cuyo funcionamiento varía mucho entre sí. Como se pudo apreciar en la introducción, el sistema eléctrico de los vehículos de turismo contiene elementos tales como el sistema de iluminación y confort, los cuales son eliminados en el caso de vehículo de competición dado que no son necesarios. Tomado en cuenta esto se hizo prioritario descifrar la necesidad energética del sistema que se va a diseñar, con el fin de cumplir con las necesidades de tensión e intensidad de corriente que elementos como el alternador o la batería debían ser capaces de proveer por tiempos indeterminados y bajo circunstancias diversas, necesidades que se calcularon utilizando las ecuaciones presentadas en el capítulo previo de introducción. El siguiente paso fue aplicar apropiadamente la información investigada en cálculos exactos que debían cumplir los requerimientos dictaminados por la SAE mediante su reglamento para la competencia estudiantil Fórmula SAE del periodo 2015-2016 cuyo extracto se encuentra en Anexo 1 donde se puede leer las partes y artículos más importantes concernientes al sistema eléctrico del fórmula SAE los cuales llevan por títulos “Part IC Article 4 y Part EV Article 5” (SAE, 2014).
Esto permitió conocer los elementos necesarios que formaron parte del circuito y al mismo tiempo las restricciones reglamentarias necesarias para no incurrir en penalizaciones o ventajas descalificables en la competencia. Para determinar esto se realizaron los respectivos cálculos matemáticos utilizando formulas y ecuaciones conocidas en el campo de la electrónica, tomando en cuenta datos como tensión eléctrica requerida, intensidad de corriente o potencia necesaria obtenidos de la investigación previa, datos que sirvieron a tanto para el diseño, como para la simulación computarizada del sistema. Una vez conocidos los datos necesarios y habiendo cotejado los resultados de los cálculos con el reglamento de la SAE se procedió a realizar el diseño del circuito eléctrico principal, el cual contuvo todos los elementos de seguridad que se pueden observar en la introducción de este trabajo.
11
Luego de la búsqueda realizada y la apropiada comparación de opciones se eligió el simulador llamado Bright Spark, el cual, forma parte de la familia de paquetes informáticos para simulación de circuitos eléctricos y electrónicos LiveWire, este permitió visualizar de forma clara el funcionamiento de los distintos componentes que forman parte del circuito, así como el comportamiento de la energía eléctrica presente en los mismos.
Sin embargo, entre las opciones encontradas, ninguna era especializada en sistemas o circuitos aplicados a la industria automotriz por lo cual y debido a la falta de estos simuladores computarizados, no fue factible realizar una simulación con los componentes exactos descritos en este trabajo, por tanto, los valores calculados mediante las ecuaciones presentadas, son comparadas luego de la construcción del sistema, no así en la simulación.
Para efectos visuales y de diseño, se simuló los sistemas de encendido y de inyección de combustible los cuales fueron solicitados en la normativa SAE la cual explica, “la motorización de un monoplaza fórmula SAE puede ser un motor eléctrico o un motor de combustión interna cuya cilindrada no supere los 600 𝑐𝑚3” (SAE, 2014) con restricción en la aplicación de súper cargadores
o turbo cargadores, permitiendo el uso de carburadores los cuales en el caso de este proyecto formaron parte de la implementación.
Dado que los elementos incluidos en la alimentación de combustible del motor seleccionado, no contienen mandos y elementos de índole electrónica, parte de las simulaciones no sirvieron como forma de verificación de información, en este caso en particular este trabajo se realizó en función de un motor Kawasaki ZX600 del año 1990 el cual es alimentado por carburadores independientes para cada cilindro y no posee sistema de inyección electrónica, este sistema debido a restricciones no pudo ser reemplazado por uno de tecnología más avanzada, sin embargo, para fines teóricos, se lo revisó de manera superficial en las simulaciones computarizadas para describir un hipotético funcionamiento en un motor con sistema de inyección electrónica de combustible multipunto.
Con las simulaciones respectivas realizadas en orden, de funcionamiento y accionamiento, según los componentes del circuito eléctrico, y los cálculos apropiados realizados en base a las formulas propuestas en la etapa introductoria, se procedió a la construcción de los diferentes sistemas en la estructura y el tren motriz del prototipo.
Para la construcción se utilizó información calculada mediante las ecuaciones ubicadas en la parte introductoria, con lo cual se conoció la resistencia que presentaban los conductores de cobre lo cual sirvió para comprobar la sección de los mismos y la longitud, con lo cual se demostró la correcta elección de conductores y como la longitud de los mismos se vuelve despreciable debido a su pequeña dimensión.
12
multímetro automotriz, osciloscopio y voltímetro industrial para alto voltaje profesional para el sistema de encendido.
13
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Dado que el reglamento de la Fórmula SAE establece parámetros específicos de seguridad en el sistema eléctrico los cuales se pueden ver en el extracto del reglamento adjuntado en Anexo 1 se tiene que:
Entre todos los componentes eléctricos, deben existir 2 interruptores maestros de accionamiento manual, los cuales deben encontrarse en el interior del vehículo, pero al alcance tanto del piloto, como de cualquier personaje de asistencia en caso de emergencia o pánico.
Estos debían, por tanto, desconectar los sistemas de alta y baja tensión en caso de existir, dado que el sistema solo consta de 1 circuito principal, de alta tensión, ambos interruptores deben encontrarse en serie y ser capaces de eliminar cualquier corriente eléctrica circulante al momento de su desconexión.
Además, se realizaron los cálculos exactos de necesidades energéticas, tanto en cada elemento del circuito como en el circuito eléctrico general, esto establece los parámetros precisos para una correcta elección de componentes, evitando así el desperdicio de recursos en elementos cuyo funcionamiento pudiere verse comprometido durante la construcción del sistema.
En la ficha técnica de la motocicleta Kawasaki Ninja GPX 600R se encontró datos importantes sobre el alternador, las bobinas de encendido, el motor de arranque y batería, como se pueden apreciar en la tabla 1.
Tabla 1. Ficha técnica sistema eléctrico motocicleta Kawasaki GPX 600R Batería
Tipo: 12 V. 12 Ah.
Densidad específica: 1,280 en 20°C.
Volumen de electrolito: 780 ccm, 130 ccm (una célula) Sistema de carga
Tipo: Trifásica
Tensión de carga (Regulador /
Rectificador de tensión de salida): 14,5±0,5 de luces en ON, si es necesario) V. en 4000 RPM (Interruptor Resistencia del rotor: 0,1 – 0,8 Ohm.
Sistema de encendido
Tiempo de encendido: 12,5° antes del PMS a 1050 40° antes del PMS a 10000 RPMRPM. . Resistencia de la bobina del
generador de impulsos: 360-440 Ohm. Entrehierro de la bobina el
generador de impulsos: 7 mm. o más Resistencia del primario de la bobina
14
Tabla 1. Ficha técnica sistema eléctrico motocicleta Kawasaki GPX 600R continuación…
Resistencia del secundario de la bobina de encendido 10-16 kOhm.
Base del electrodo 0,6-0,7 mm.
Sistema de arranque Motor de arranque:
Longitud de las escobillas Normal: 12 Mínimo: 6 mm.mm.
Diámetro del colector: Normal: 28 Mínimo: 27 mm.mm. (Kawasaki Motor Co. , 2006)
3.1 CÁLCULOS DE POTENCIA Y CORRIENTE QUE PROVEE
EL ALTERNADOR
Conociendo gracias a la ficha técnica, la resistencia que presenta el alternador como elemento de carga 0.8 Ω., y la tensión que genera 14.5 V. se utiliza la ecuación [1], para conocer la intensidad de corriente que genera:
𝐼 =
14.5 V.
0.8 Ω
𝐼 = 18.125 𝐴.
Con la ecuación [2], se calcula la potencia que es capaz de entregar:
𝑃 = 14.5 𝑉.× 18.125 𝐴.
𝑃 = 262.81 𝑊.
Dichos valores calculados, se verifican en funcionamiento mediante elementos de medición como vatímetro o amperímetro, con lo cual se genera una tabla comparativa de valores tal y como se presenta en la tabla 2.
Debido a que la potencia no puede medirse con elementos medidores disponibles, y dado que no se disponía de un vatímetro, se calculó la potencia real del alternador con los valores de corriente y tensión de salida obtenidos en la medición aplicando la ecuación [2]:
𝑃 = 14.39 𝑉.× 18.05 𝐴.
15
Tabla 2. Comparativa de datos sobre alternador Alternador motocicleta Kawasaki GPX 600R
Valor Datos calculados Datos obtenidos mediante medición
Resistencia (Ω) 0.8 0.78
Tensión de salida(V.) 14.5 14.39
Intensidad de
corriente(A.) 18.125 18.05
Potencia de salida(W.) 262.81 259.73
Con las mediciones realizadas, se pudo verificar que, aunque los cálculos variaron con los datos reales medidos, su variación fue mínima y los causantes de estas variaciones pueden ser los elementos conductores, el tiempo de vida que tienen el alternador y sus elementos constitutivos y por supuesto el desgaste normal de funcionamiento de los mismos. Con estos datos verificados además se pudo evidenciar el correcto funcionamiento del alternador, ya que, la variación entre datos es mínima.
3.2 CÁLCULO DE POTENCIA Y CORRIENTE QUE REQUIERE
EL SISTEMA DE ARRANQUE
Una vez conocida la potencia que es capaz de entregar el alternador, es necesario revisar la potencia que requiere el motor de arranque, para lo cual se revisó los datos de la tabla 1 donde se obtuvo que el motor de arranque tiene una resistencia de 0.9 Ω. y requiere una tensión de batería de 12 V. Utilizando la ecuación [1], se obtuvo la intensidad de corriente que requiere para funcionar:
𝐼 =
12 𝑉.
0.9 Ω.
𝐼 = 13.34 𝐴.
Para calcular la potencia que requiere el motor de arranque se utilizaron datos como: tensión de batería = (12 V.) e intensidad de corriente requerida del motor de arranque = (13.34 A.) utilizando la ecuación [2], resultó:
𝑃 = 12 𝑉. × 13.34 𝐴.
16 Para corroborar los datos calculados, hizo falta medir los valores que el motor de arranque presentaba en funcionamiento, esto debido a comprobar el correcto estado del mismo por lo cual se erigió una tabla comparativa, la cual se puede revisar en la tabla 3, entre los datos calculados y los datos obtenidos por la medición.
De nuevo debido a la falta de un vatímetro para medir potencia, se aplica la ecuación [2], para conocer la potencia real que consume el motor de arranque durante su funcionamiento:
𝑃 = 12.61 𝑉.× 14.10 𝐴.
𝑃 = 177.80 𝑊.
Tabla 3. Comparativa de datos sobre motor de arranque Motor de arranque motocicleta Kawasaki GPX 600R
Valor Datos calculados Datos obtenidos mediante medición
Resistencia (Ω) 0.9 0.89
Tensión de alimentación
(V.) 12 12.61
Intensidad de corriente(A.) 13.34 14.10
Potencia consumida(W.) 160.08 177.80
Debido a variaciones en tensión de alimentación e intensidad de corriente que absorbe durante su funcionamiento, el motor de arranque presenta una diferencia de 17 W. de consumo con respecto al valor que se calculó, esto debido a que la batería es nueva y entrega un voltaje mayor al teórico, sin embargo, los motores de arranque tienen un margen de funcionamiento en el cual su consumo energético se va reduciendo según el tiempo que permanece funcionando por lo que esta variación no representa un peligro para ningún componente del circuito principal por lo cual el alternador no requirió ningún cambio o corrección para su utilización.
3.3 SELECCIÓN DE LOS CONDUCTORES PARA EL
SISTEMA DE ARRANQUE
Para la elección de los cables conductores para los diferentes sistemas se requirió analizar la intensidad, tensión y potencia eléctrica que deberán transportar, y utilizando tablas comparativas provenientes de los fabricantes se seleccionó las opciones que mejor se ajustaban a las necesidades del sistema
.
17 una potencia de 217 W. potencia que supera en una cantidad considerable los 160.08 W. requeridos por el motor de arranque, se procedió a utilizar tablas informativas que los proveedores de conductores ofrecen al público en catálogos, en los cuales se muestran los cables conductores que tienen disponibles en el mercado.
Para elegir el más apropiado en función de la longitud de conductor necesaria y la posible caída de tensión que pueda tener debido a una longitud exagerada, se procedió a revisar mediante tablas informativas que se pueden encontrar en diferentes fuentes encargadas de venta de suministros eléctricos, además es necesario realizar una apreciación de la posición física de la batería, en el caso de este proyecto, se calcula mediante la ecuación [5]
la resistencia extra que provee el conductor según los 0.74 metros requeridos para conectar la batería con el alternador y con la sección transversal de 8
𝑚𝑚2 que corresponden al calibre AWG 8:
𝑅 = 𝜌
0.74 𝑚.
8 𝑚𝑚.
2Se conoce que la resistividad del cobre es
𝜌 = 0.0172
Ω×𝑚𝑚.2𝑚. con lo cual
se reemplaza en la ecuación:
𝑅 = 0.0172
Ω × 𝑚𝑚.
2
𝑚.
×
0.74 𝑚.
8 𝑚𝑚.
2𝑅 =
0.0172 × 0.74
8
𝑅 = 0.001591 Ω.
Este valor de resistencia se aplica al caso de 23 °C. de temperatura, debido a que los conductores aumentan su resistencia según la temperatura, se requirió calcular resistencia del conductor a una temperatura máxima admisible de 42 °C. mediante la ecuación [6]:
𝑅 = 0.001591 Ω. × (1 + (𝛼 × 19°𝐶. ))
El valor de 𝛼 para el cobre es: 𝛼 = 0.004 por cada grado centígrado por tanto se reemplaza el valor en la ecuación para obtener:
𝑅 = 0.001591 Ω. × (1 + (0.004 × 19°𝐶. ))
𝑅 = 0.001591 Ω. × (1 + (19.76))
18
Con un valor de 0.033 Ω. se establece que, a pesar de un aumento
considerable de la temperatura, debido a la escasa longitud del conductor, la resistencia no aumenta como para presentar una caída de tensión a tomar en cuenta. Por tanto, se concluye que la caída de tensión es despreciable ya que la longitud del conductor no sobrepasa los 0.75 metros de acuerdo a la posición de la batería con respecto al alternador y por tanto se revisan los valores presentados en la tabla 4 los que sirven para revisar la corriente máxima que soporta un cable conductor de cobre según su longitud y sección transversal
.
Tabla 4.Tabla de sección transversal de cables en función de la longitud y la intensidad de corriente
Corriente máxima
en el cable (A.) Longitud del cable en metros
0-1.2 1.2-2.1 2.1-3 3-3.9 3.9-4.8 4.8-5.7 5.7-6.8 6.8-8.4
0-20 8𝑚𝑚.2 8𝑚𝑚.2 8𝑚𝑚.2 8𝑚𝑚.2 8𝑚𝑚.2 8𝑚𝑚.2 8𝑚𝑚.2 8𝑚𝑚.2
20-35 8𝑚𝑚.2 8𝑚𝑚.2 8𝑚𝑚.2 8𝑚𝑚.2 20𝑚𝑚.2 20𝑚𝑚.2 20𝑚𝑚.2 20𝑚𝑚.2
35-50 8𝑚𝑚.2 8𝑚𝑚.2 8𝑚𝑚.2 20𝑚𝑚.2 20𝑚𝑚.2 20𝑚𝑚.2 20𝑚𝑚.2 20𝑚𝑚.2
50-65 8𝑚𝑚.2 8𝑚𝑚.2 20𝑚𝑚.2 20𝑚𝑚.2 20𝑚𝑚.2 20𝑚𝑚.2 20𝑚𝑚.2 35𝑚𝑚.2
65-85 20𝑚𝑚.2 20𝑚𝑚.2 20𝑚𝑚.2 20𝑚𝑚.2 35𝑚𝑚.2 35𝑚𝑚.2 35𝑚𝑚.2 50𝑚𝑚.2 85-105 20𝑚𝑚.2 20𝑚𝑚.2 20𝑚𝑚.2 35𝑚𝑚.2 35𝑚𝑚.2 35𝑚𝑚.2 35𝑚𝑚.2 50𝑚𝑚.2 105-125 20𝑚𝑚.2 20𝑚𝑚.2 20𝑚𝑚.2 35𝑚𝑚.2 35𝑚𝑚.2 50𝑚𝑚.2 50𝑚𝑚.2 50𝑚𝑚.2 125-150 35𝑚𝑚.2 35𝑚𝑚.2 35𝑚𝑚.2 35𝑚𝑚.2 50𝑚𝑚.2 50𝑚𝑚.2 50𝑚𝑚.2 50𝑚𝑚.2
(Ingemecánica, 2016)
Se verificó entonces que el cable de sección 8 𝑚𝑚2 para longitudes de 0 a 8.4
metros posee un soporte de 0 a 20 Amperios de intensidad de corriente, y por ende era la opción más apropiada para cumplir con los requerimientos energéticos del sistema de arranque los cuales no presentan una variación importante respecto al tiempo de funcionamiento del sistema.
De acuerdo a los elementos conductores disponibles en el mercado, se volvió imperativo, verificar la disponibilidad y tipo apropiado de cable para la realización del proyecto, por lo cual se analizó la opción del cable conductor que cumple con el calibre AWG 8 revisado anteriormente era la opción idónea a usar en el proyecto, el tipo de cable y datos técnicos extras se pueden verificar en el Anexo 2.
3.4 SELECCIÓN DE LOS CONDUCTORES PARA EL
SISTEMA DE RECARGA DE LA BATERÍA
19 calculada previamente en la página 12, para conocer el cable conductor apropiado cuya función era unir al alternador con la batería.
El conductor escogido es el de calibre AWG 8 que gracias a su capacidad de corriente de máximo 60 A. en menos de 2 metros de longitud, como se muestra en la tabla 4 cumple con el parámetro de los 18.125 A. que produce el alternador.
Para el transporte de energía a los demás elementos se utilizarán conductores de calibre AWG 16 ya que su capacidad de corriente de 10 A. como se muestra en la tabla 4 y se verifican disponibles en el mercado en el Anexo 2 cumple con las necesidades energéticas de elementos electrónicos tacómetro, velocímetro y demás elementos de información para el piloto en el sistema.
3.5 INTERRUPTOR MAESTRO PRIMARIO
Posee entre 2 y 6 pines de conexión según el modelo, se utiliza en vehículos con alternador, sus contactos principales desconectan el paso de corriente desde la batería. Tal como se puede observar en la figura 2. Este interruptor soporta corriente de hasta 100 Amperios en funcionamiento prolongado. El esquema de conexión del interruptor viene adjuntado al mismo, y variara según la cantidad de pines de conexión este posea, tal y como se aprecia en la figura 1.
Figura 1. Esquema del interruptor maestro primario (Pegasus Auto Racing Supplies Inc., 2014-2016)
20
Figura 2. Interruptor maestro primario
Además, el interruptor debe ir correctamente marcado con el símbolo del internacional de interruptor de desconexión, el cual marca la posición de apagado tal y como se muestra en la figura 3, su función es indicar el sentido en el cual el interruptor conduce energía o desconecta el sistema. Este símbolo del rayo rojo sobre un triángulo de fondo azul, es un símbolo estándar aceptado internacionalmente en las diferentes modalidades de competencias automovilísticas y viene normalmente incluido en el paquete con el interruptor. Es necesario que este interruptor sea avalado por alguna institución de seguridad u homologado internacionalmente, en el caso en particular del interruptor utilizado en este trabajo, se trata de un interruptor homologado por la FEDAK hasta diciembre del 2017, por lo tanto, es apto para el uso en el prototipo.
Figura 3. Símbolo del interruptor maestro primario
21 se puede calcular la potencia y la corriente que existe en el circuito, para esto es necesario tomar datos de la ficha técnica:
Resistencia del motor de arranque = 0.9 Ω.
Resistencia del primario de las bobinas de encendido = 1.8 Ω.
Debido a que las bobinas de encendido son 2 y están conectadas en paralelo la resistencia equivalente de las mismas se calcula mediante la ecuación [4]:
1
𝑅
𝑒𝑞1=
1
1.8 Ω.
+
1
1.8 Ω.
1
𝑅
𝑒𝑞1= 0.556 + 0.556
1
𝑅
𝑒𝑞1= 1.112
𝑅
𝑒𝑞1=
1
1.112
𝑅
𝑒𝑞1= 0.899 Ω.
Una vez encontrada mediante el uso de ecuaciones la resistencia equivalente de las bobinas de encendido, se procede a calcular la resistencia equivalente de todo el circuito utilizando la ecuación [3]:
𝑅
𝑒𝑞2= 0.9 Ω. +0.899 Ω.
𝑅
𝑒𝑞2= 1.799 Ω.
Posteriormente esta resistencia equivalente encontrada es utilizada para calcular la corriente y la potencia que fluyen a través de todo el circuito, misma corriente que fluye a través del interruptor maestro primario, se calcula mediante la ecuación [1] y la ecuación [2]:
𝐼 =
12
𝑅
𝑒𝑞2𝐼 =
12 𝑉.
1.799 Ω.
22
𝑃 = 𝐼
2× 𝑅
𝑒𝑞2𝑃 = (6.68 𝐴. )
2× 1.799 Ω.
𝑃 = 44.6224 × 1.799
𝑃 = 80.28 𝑊.
Con una corriente de 6.68 A. a través del interruptor maestro primario, la potencia que circula en el circuito es de 80.28 W. con lo cual se define que el interruptor maestro primario, es capaz de soportar la corriente circulante por un tiempo prolongado de funcionamiento, ya que su capacidad de flujo de corriente es de hasta 100 A. en funcionamiento continuo de acuerdo a las especificaciones que rezan en su empaque. Además, encontrando la corriente que fluye por el circuito completo, se puede afirmar que la corriente a fluir por el interruptor maestro secundario es igual a 6.68 A. y por tanto este debe ser capaz de permitir el flujo continuo de la misma.
3.6 INTERRUPTOR MAESTRO SECUNDARIO
El segundo interruptor maestro, se encuentra en la cabina y con acceso al piloto, por tanto, este debe ser del tipo pulsar/halar o “push/pull” como se
puede apreciar en la figura 4, este debe ser capaz de cortar la energía a la bomba de combustible y el circuito de encendido para permitir parar el motor en caso de emergencia o pánico.
Figura 4. Interruptor maestro secundario
23 por el circuito no llega a ser de más de 10 A. además cabe mencionar que estos botones de emergencia son creados y desarrollados para un funcionamiento seguro por sí solo, controlando altas intensidades de corriente por un largo tiempo.
Para la batería, el análisis y cálculo de los parámetros de consumo energético entre los elementos que constituyen el sistema eléctrico, arrojaron datos mediante los cuales se pudo comparar los beneficios o desventajas que la batería de uno u otro tipo podían traer al sistema.
Como se calculó previamente se requieren hasta 15 A. de corriente para el sistema de arranque, y alrededor de 7 A. que se circularan permanentemente a través del circuito eléctrico principal para el funcionamiento del mismo, motivo por el cual una batería que cumpla o supere estas capacidades se volvió necesaria, con el fin de que el alternador no esté trabajando al máximo de su capacidad todo el tiempo que el sistema permanece conectado y en funcionamiento.
Para elegir el modelo apropiado de batería, se tomaron en cuenta varios factores como: económico, geográfico y tecnológico. La elección apropiada es fundamental, pues debe cumplir con requerimientos tales como: mantener un presupuesto limitado y a la vez contar con buenas características de rendimiento tal, por lo cual se realiza un estudio de opciones en el mercado las cuales, según sus parámetros operativos y características técnicas entregadas por los proveedores o fabricantes, se resumen en una tabla, como se muestra en la tabla 5 de comparativa de datos entre baterías.
Tabla 5.Datos técnicos de baterías
Análisis de opciones de baterías disponibles en el mercado
Modelo
Capacidad 40 Ah. 12 Ah.
Tensión 12 V. 12 V.
Corriente de arranque en frio
(CCA) 390 A. 160 A.
Tamaño 193 Longitud/ 124 Ancho / 224 Altura 136 Longitud/ 82 Ancho / 162 Altura
Tecnología Requiere Mantenimiento Libre de mantenimiento
24 En comparativa ambas opciones tienen características muy diferentes, sin embargo, por razones económicas la decisión será el utilizar la batería BOSCH, que tiene mejores prestaciones en menos costo, aunque su mayor volumen representa un desafío de disposición física dentro del sistema.
3.7 BOTÓN DE ARRANQUE E INTERRUPTOR DE IGNICIÓN.
Como encargado de la ignición del vehículo, este botón provee energía al motor de arranque, el cual ayuda al encendido del motor térmico, debe controlar una intensidad de entre 12 y 20 A. al momento de su funcionamiento ya que el motor de arranque tiende a necesitar más corriente al durante menos de 1 segundo al inicio de su operación, para luego volver a su consumo normal durante los segundos que dura su energización y requiere una tensión eléctrica igual a la que provee la batería.
La opción elegida se compone de 3 interruptores de palanca, 1 interruptor encargado de energizar el sistema y que servirá para apagar el motor cuando se requiera, al regresarlo a su posición “off”, para el efecto tiene un diodo emisor de luz o LED que se enciende cuando el interruptor permite el paso de corriente, 2 interruptores para conectar diferentes accesorios y 1 botón pulsador con retorno por muelle, que previene el enclavamiento del mismo el cual puede observarse en detalle en la figura 5 a continuación, el cual accionará el motor de arranque mientras permanezca presionado, se acciona mediante un relé que le permite controlar hasta 30 Amperios de intensidad de corriente para el momento del arranque del sistema.
Figura 5. Botón de arranque e ignición
El esquema explicativo del interruptor y los puntos de conexión del mismo se aprecian con claridad en la figura 6, donde se observa que en caso de
25
Figura 6. Diagrama eléctrico del botón de arranque e ignición
3.8 ELEMENTOS DE INFORMACIÓN PARA EL PILOTO
Para el fin de proporcionar datos a bordo al piloto, la opción elegida fue el tacómetro con luz de cambio de velocidad.
Este medidor entrega datos en digital de las revoluciones alcanzadas, además de guardar datos del record de RPM más alta, mientras el medidor de aguja controla las revoluciones del motor, es necesario un tacómetro de motocicleta como el demostrado en la figura 7, ya que las revoluciones que alcanza es mucho mayor a las de un automóvil, incluye luces de advertencia para aceite, combustible, luces, temperatura y la luz de alerta de cambio de velocidad para alertar al piloto el momento indicado en que debe subir una velocidad.
Con un tamaño de 135.7 milímetros de largo por sus 100 milímetros de alto y 52 mm de profundidad, es la opción ideal para un espacio reducido en el vehículo monoplaza, siendo capaz de entregar mucha información necesaria tanto durante, como después de la competencia.
Figura 7. Tacómetro KOSO (Koso NorthAmerica, 2015)
26
3.9 DISEÑO Y SIMULACIÓN DE CIRCUITOS
Para cumplir con la fase de diseño, se utilizaron simuladores computarizados para circuitos eléctricos, esto con la finalidad de obtener una idea más clara del funcionamiento de los circuitos eléctricos del sistema, como convergen entre sí, y como forman parte del sistema los componentes que, en teoría, se poseen, como los componentes que reglamentariamente deben formar parte del sistema, por motivos de control, o seguridad.
Sin embargo, debido a la falta de simuladores exclusivos para diseños automotrices, se tuvo que realizar una comparativa entre las diferentes opciones de simuladores disponibles, comparativa mediante la cual se llegó a la elección del más apropiado para los fines requeridos.
Se seleccionaron cuatro opciones de simuladores de circuitos eléctricos y electrónicos, los cuales debían cumplir con distintos requerimientos enfocados en las necesidades de este trabajo, para realizar la comparación se realizó la tabla 6 concerniente a características técnicas de cada simulador.
Tabla 6.Características técnicas de simuladores
Simuladores Requisitos Licencia Función Elementos
Crocodile
Clips Ninguno Pagada
Simulación de circuitos electrónicos de baja tensión Limitados
Proteus Paquetes de elementos por separado.
Pagada de circuitos Simulación electrónicos Prácticamente ilimitados con paquetes utilitarios extras. Bright Spark
(LiveWire) Ninguno Gratis
Simulación de circuitos
eléctricos Limitados
Yenka Paquetes utilitarios extra según requerimiento (Industrial, Hogar, PICS) Pagada Simulación de circuitos eléctricos y programación de PICS Prácticamente ilimitados con paquetes utilitarios extras.
27 licencia, el simulador elegido fue Bright Spark, el cual forma parte de la familia de paquetes de software LiveWire, por lo cual es compatible para la creación de PCB en LiveWire.
Los simuladores utilizados en este proyecto no permitieron la utilización de componentes específicos con datos insertados por el usuario, motivo por el cual cumplen una función demostrativa del correcto funcionamiento de los circuitos involucrados en el sistema, sin utilizar valores obtenidos de fichas técnicas de los elementos.
En el diseño del sistema se incluyen circuitos eléctricos para:
Sistema de encendido
Sistema de inyección
Sistema de arranque
Sistemas de seguridad
Para el sistema de encendido se debe considerar el tipo de encendido que tiene el vehículo monoplaza, debido a restricciones en el reglamento SAE para la competencia fórmula SAE, los motores tienen un límite de cilindraje de 600
𝑐𝑚3. Con lo cual se limita la existencia de motores de combustión interna del
tipo antes mencionado.
Para la simulación se toma a consideración el motor “ZX600” encontrado en la “Kawasaki GPX600” del año de 1990, la cual maneja para la alimentación
de combustible 4 carburadores, y posee sistema de encendido eléctrico por
descarga de capacitor o “CDI” por sus siglas en ingles.
En caso de manejar sistema de inyección y bomba de combustible eléctrica, en la simulación debe considerarse que los interruptores maestros requeridos deben remover la energía tanto del sistema de encendido, bujías, bobina, inyectores, y bomba de combustible, y no puede actuar a través de un relé, estos deben ser capaces de desactivar toda la alimentación eléctrica del vehículo, sin que su puesta en contacto nuevamente, permita que el vehículo se ponga en funcionamiento.
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Figura 8. Interruptores maestros colocados antes del botón de arranque en Simulador Brigth Spark.
Una vez posicionados los interruptores, se procede a verificar que estos quiten energía a la bomba eléctrica de combustible para lo cual hará falta expandir el circuito para incluir el elemento mencionado, el funcionamiento simulado se presenta en la figura 9 donde se aprecia el sistema energizado.
Figura 9. Circuito de bomba de combustible en funcionamiento en simulador.
Una vez el interruptor maestro secundario entra en posición “off”, este
29
Figura 10 Circuito de bomba de combustible desactivado por interruptor maestro secundario en simulador.
Tal como se aprecia en las figuras previas, la figura 11 presenta el circuito des energizado, debido a la desactivación del interruptor maestro primario el cual se ubica fuera de la cabina del piloto.
Figura 11. Circuito de bomba de combustible desactivado por interruptor maestro primario en simulador.
30 corriente proveniente de las fuentes de alimentación y que, regresándolos a su posición inicial, hace falta volver a presionar el botón de arranque (incluido el interruptor de contacto) para poner a funcionar el sistema. Posteriormente entran en el diseño el sistema de inyección y de encendido, los cuales deben ser también desactivados una vez los interruptores maestros cambien su posición.
Para simular el sistema de inyección se utilizan solenoides los cuales serán accionados un temporizador, dado que no se puede simular el funcionamiento de una central de control electrónico, se utiliza un temporizador el cual regulará la velocidad en que los solenoides actúan según un potenciómetro varíe su resistencia, pretendiendo ser una mariposa de aceleración, la cual ordenará enviar más o menos pulsos para abrir y cerrar los inyectores antes o después como se demuestra en la figura 12. Por términos prácticos no se requiere que los inyectores funcionen de uno en uno, ya que esto solo tiene como finalidad demostrar que el circuito eléctrico funciona, y los interruptores primarios o maestros desactivan el sistema de inyección.
Figura 12. Circuito de bomba de combustible e inyectores en funcionamiento en simulador.
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Figura 13. Circuito de bomba de combustible e inyectores desactivados por interruptor maestro secundario en simulador.
Igual como se aprecia en la figura anterior, en la figura 14 el circuito se encuentra sin energía, esto debido a que el interruptor maestro primario se encuentra desconectado y no permite el paso de energía, demostrando así la correcta conexión y funcionamiento del sistema de seguridad.
Figura 14.Circuito de bomba de combustible e inyectores desactivados por interruptor maestro primario en simulador.