UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
TEMA:
“DETERMINACIÓN E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA
ADECUADO
DE
FRENOS
DE
SERVICIO
Y
ESTACIONAMIENTO
EN
EL
PROTOTIPO
DE
BUS
ELÉCTRICO,
PROYECTO
DEL
MINISTERIO
DE
ELECTRICIDAD Y ENERGÍA RENOVABLE DEL ECUADOR”.
AUTOR: SANTIAGO ALEXANDER CALDERÓN CARRILLO
DIRECTOR: ING. EDWIN TAMAYO. M.Sc.
Quito – Ecuador
DEDICATORIA
Sin el apoyo de mis padres, la consecución de este objetivo no hubiera sido posible. A Dios, a mi familia y mi hijo dedico la realización de esta tesis. “Escucha lo que te mando: Esfuérzate y sé valiente. No temas ni desmayes, que yo soy el Señor tu Dios, y estaré contigo por donde quiera que vayas.”
vi
ÍNDICE DE CONTENIDOS
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RESUMEN xix
ABSTRACT xxi
1. INTRODUCCIÓN 1
2. MARCO TEÓRICO 4
2.1. SISTEMA DE FRENOS 4
2.1.1. INSTALACIONES DE FRENOS 4 2.1.1.1. Sistema del freno de servicio 4 2.1.1.2. Sistema de freno auxiliar 5 2.1.1.3. Sistema del freno de estacionamiento 5 2.1.1.4. Sistema de freno continuo 6 2.1.1.5. Sistema electrónico de frenos 6 2.1.2. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS
DE FRENO 7
2.1.2.1. Frenos mecánicos 7 2.1.2.2. Frenos hidráulicos 8 2.1.2.3. Frenos neumáticos 12 2.1.2.4. Frenos eléctricos 16
2.1.3. FRENOS DE DISCO 17
2.1.3.1. Los frenos de sistema rígido 17 2.1.3.2. Los frenos de sistema flotante 18 2.1.3.3. Ventajas de los frenos de
vii
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2.1.3.4. Desventajas de los frenos de
disco 21
2.1.3.5. Componentes del sistema de
frenos de disco 21
2.1.4. FRENOS DE TAMBOR 24
2.1.4.1. Ventajas del freno de tambor 25 2.1.4.2. Desventajas del freno de tambor 25 2.1.4.3. Componentes del sistema de frenos
de tambor 25
2.1.5. SERVOFRENO DE PRESIÓN NEGATIVA 28 2.1.5.1. Hidromaster 29 2.1.6. ESTUDIO DEL SISTEMA DE FRENOS 30 2.1.6.1. Fuerzas de frenado 30 2.1.6.2. Tiempos de frenado 37 2.1.6.3. Desaceleración 40
2.1.6.4. Frenado Z 42
3. METODOLOGÍA 44
3.1. SISTEMA DE FRENOS DEL PROTOTIPO DE
BUS ELÉCTRICO 45
3.1.1. DESCRIPCIÓN DEL BUS 45 3.1.2. SITUACIÓN ACTUAL DEL PROTOTIPO DE
viii
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3.1.3. SISTEMA DE FRENOS DEL PROTOTIPO DE
BUS ELÉCTRICO 51
3.1.3.1. Situación de los elementos en el sistema
de frenos del prototipo de bus eléctrico 52 3.1.3.2. Elementos faltantes en el sistema
de frenos del prototipo de bus eléctrico 61
3.2. DISEÑO 64
3.2.1. CÁLCULOS 64
3.2.1.1. Datos recolectados 65 3.2.1.2. Fuerza en la bomba 67 3.2.1.3. Presión líquido de frenos
(baja presión) 69
3.2.1.4. Presión líquido de frenos
(alta presión) 71
3.2.1.5. Presión de la bomba de vacío 75 3.2.1.6. Volumen del tanque de vacío 76 3.2.1.7. Motor eléctrico 77 3.2.2. SELECCIÓN DE ELEMENTOS 79 3.2.2.1. Resumen de valores calculados 79 3.2.2.2. Motor eléctrico 80 3.2.2.3. Tanque de vacío 82 3.2.2.4. Bomba de vacío 83
ix
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3.2.3. UBICACIÓN 86
3.2.3.1. Planos del conjunto 3D 88 3.2.4. ANÁLISIS ESTRUCTURAL DEL CONJUNTO 89
3.2.4.1. Materiales 89
3.2.4.2. Condiciones de funcionamiento 92 3.2.4.3. Pruebas teóricas realizadas 96
3.2.4.4. Resultados 99
3.3. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE FRENOS
AL PROTOTIPO DE BUS ELÉCTRICO 100 3.3.1. ENSAMBLAJE MOTOR – BOMBA 100 3.3.2. INSTALACIÓN DEL TANQUE DE VACÍO 102 3.3.3. INSTALACIÓN MOTOR ELECTRICO - BOMBA
AL BASTIDOR 105
3.3.4. CONEXIÓN DE MANGUERAS DE VACÍO 107 3.3.4.1. Conexión del tanque de vacío
al hidromaster 108
3.3.4.2. Conexión de la bomba al tanque
de vacío 109
3.3.4.3. Conexión de la bomba al
hidromaster 111
3.3.5. INSTALACIÓN MANÓMETRO 112 3.3.6. INSTALACIÓN ELÉCTRICA 113
x
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4.1. PRUEBAS, RESULTADOS Y ANÁLISIS 117 4.1.1. SISTEMA DE VACÍO APAGADO 117
4.1.1.1. Objetivo 117
4.1.1.2. Procedimiento 118
4.1.1.3. Resultados 118
4.1.1.4. Análisis 119
4.1.2. SISTEMA DE VACÍO ACTIVO 120
4.1.2.1. Objetivo 120
4.1.2.2. Procedimiento 121
4.1.2.3. Resultados 121
4.1.2.4. Análisis 122
4.1.3. DINÁMICA DE GIRO DE FRENADO 124
4.1.3.1. Objetivo 124
4.1.3.2. Procedimiento 125
4.1.3.3. Resultados 125
4.1.3.4. Análisis 125
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 128
BIBLIOGRAFÍA 130
xi
ÍNDICE DE TABLAS
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Tabla 1. Características generales del
Isuzu FSR 450 Short 46
Tabla 2. Características del motor Isuzu 6BD1 47
Tabla 3. Selección del motor eléctrico 78
Tabla 4. Resumen de los valores calculados 79
Tabla 5. Motores eléctricos en el mercado 80
Tabla 6. Bombas de vacío en el mercado 84
Tabla 7. Propiedades material del motor 90
Tabla 8. Propiedades material del acople 90
Tabla 9. Propiedades material de la bomba 91
Tabla 10. Propiedades material de la estructura
de fijación 92
Tabla 11. Momento 93
Tabla 12. Gravedad 94
Tabla 13. Presión 95
Tabla 14. Resumen de resultados 99
Tabla 15. Especificaciones Perno hexagonal
grado 8.8 rosca métrica 103
Tabla 16. Características técnicas broca de
xii
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Tabla 17. Características manguera H100 108
Tabla 18. Características cable de baterías 114
Tabla 19. Resultados prueba 1 119
xiii
ÍNDICE DE FIGURAS
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Figura 1. Freno de servicio hidráulico 4
Figura 2. Freno de estacionamiento 5
Figura 3. Frenos abs 6
Figura 4. Esquema freno mecánico 7
Figura 5. Esquema freno hidráulico 9
Figura 6. Ley de Pascal 10
Figura 7. Puntos de ebullición líquidos de freno 11
Figura 8. Viscosidad líquido de freno DOT3 12
Figura 9. Esquema del sistema de frenos neumático 13
Figura 10. Sistema de frenos de aire comprimido 14
Figura 11. Instalación de circuito doble 15
Figura 12. Ralentizador eléctrico 17
Figura 13. Esquema frenos de disco con porta pinza
flotante posición reposo 18
Figura 14. Esquema frenos de disco con porta pinza
flotante posición de frenado 19
Figura 15. Esquema frenos de disco con pinza flotante 20
Figura 16. Pinza flotante 20
Figura 17. Esquema componentes freno de disco 24
Figura 18. Esquema componentes freno de tambor 27
Figura 19. Servofreno de presión negativa 28
Figura 20. Hidromaster 29
xiv
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Figura 22. Valores del coeficiente de rozamiento estático μs 32
Figura 23. Fuerzas en el pedal del freno 33
Figura 24. Diámetros de la bomba y bombín 34
Figura 25. Fuerzas y presiones en el circuito
hidráulico de frenos 35
Figura 26. Fuerzas de rozamiento en el tambor 36
Figura 27. Diagrama tiempos de frenado 40
Figura 28. Desempeño del motor Isuzu 6BD1 47
Figura 29. Neumático 8.25R - 16lt 12ply (Dunlop Highway) 48
Figura 30. Montaje de la caja al motor eléctrico 49
Figura 31. Estructura metálica para el banco de baterías 49
Figura 32. Grupo electrógeno y motor eléctrico 50
Figura 33. Cargador de batería e inversor 50
Figura 34. Esquema hidráulico sistema de frenos 52
Figura 35. Pedal del freno 53
Figura 36. Bomba de frenos 54
Figura 37. Bomba de frenos desmontada 54
Figura 38. Cañerías de la bomba de frenos 55
Figura 39. Cañerías de las ruedas vista lateral 56
Figura 40. Cañerías de las ruedas vista superior 56
Figura 41. Hidromaster 57
Figura 42. Tambor 58
Figura 43. Tambor vista interior 58
xv
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Figura 45. Zapatas desmontadas 60
Figura 46. Cilindro de la rueda 60
Figura 47. Pistón de la rueda 61
Figura 48. Bomba de vacío Nissan 62
Figura 49. Tanque de vacío 63
Figura 50. Tanque de vacío Isuzu 63
Figura 51. Esquema de las fuerzas, presiones y
diámetros del sistema de frenos 66
Figura 52. Fuerzas en el pedal del freno 67
Figura 53. Esquema de presiones del líquido
de frenos y vacío 70
Figura 54. Fuerzas que actúan en la zapata 73
Figura 55. Dimensiones tanque de vacío 76
Figura 56. Motor eléctrico LEESON 81
Figura 57. Especificaciones motor eléctrico LEESON 82
Figura 58. Tanque de vacío reparado 83
Figura 59. Bomba de vacío elegida para el nuevo sistema 85
Figura 60. Batería del banco del autobús 86
Figura 61. Baterías conectadas en serie 86
Figura 62. Espacio para la instalación del
sistema vista frontal 87
Figura 63. Espacio para la instalación del
xvi
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Figura 64. Diseño 3D sistema de frenos autobús
vista superior 88
Figura 65. Diseño 3D sistema de frenos autobús
vista lateral 88
Figura 66. Diseño 3D del sistema a implementar 89
Figura 67. Momento aplicado en el nuevo sistema 93
Figura 68. Fuerza de la gravedad aplicada en el
nuevo sistema 94
Figura 69. Presión aplicada en la placa de fijación
del nuevo sistema 95
Figura 70. Tensión máxima 96
Figura 71. Desplazamiento 97
Figura 72. Coeficiente de seguridad 98
Figura 73. Fabricación eje estriado 101
Figura 74. Alza donde se maquinará el acople
de la bomba y motor 101
Figura 75. Estriado de la bomba de vacío 102
Figura 76. Características perno hexagonal
grado 8.8 rosca métrica 103
Figura 77. Instalación tanque de vacío 104
Figura 78. Tanque de vacío fijado al bastidor
del autobús 104
Figura 79. Instalación conjunto motor bomba
xvii
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Figura 80. Instalación conjunto motor bomba
vista posterior 107
Figura 81. Instalación manguera del tanque
de vacío al hidromaster 109
Figura 82. Instalación manguera de la bomba
al tanque de vacío 110
Figura 83. Instalación manguera de la bomba
al tanque de vacío 110
Figura 84. Instalación manguera de la bomba
al hidromaster 111
Figura 85. Instalación manómetro 113
Figura 86. Instalación breaker 115
Figura 87. Instalación eléctrica 116
Figura 88. Manómetro en cero prueba 1 120
Figura 89. Manómetro en la prueba 1
marcando 8Bar 120
Figura 90. Manómetro en cero prueba 2 123
Figura 91. Manómetro en la prueba 2
marcando 30Bar 123
Figura 92. Manómetro en la prueba 2
marcando 38Bar 124
Figura 93. Giro de rueda 126
xviii
ÍNDICE DE ANEXOS
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ANEXO I 134
Acta de entrega recepción del sistema implementado en el autobús
ANEXO II 135
Plano acople de la bomba
ANEXO III 136
Plano bomba de vacío
ANEXO IV 137
Plano eje de la bomba
ANEXO V 138
Plano motor eléctrico
ANEXO VI 139
xix
RESUMEN
El prototipo de bus eléctrico es un proyecto del Ministerio de Electricidad y Energía Renovable del Ecuador. En el presente trabajo monográfico, se determinó, diseñó e instaló el nuevo sistema de vacío para el funcionamiento del sistema de frenos de este bus.
Se implementó el sistema por medio de un motor eléctrico de corriente continua al cual se acopló una bomba de vacío, se instaló un tanque de vacío por seguridad y se colocó un manómetro para realizar las pruebas de funcionamiento.
Se inició con un estudio de los diferentes sistemas de frenos, sus componentes, características y funcionamiento, posteriormente se realizó una descripción del bus, el estado en el que fue hallado, y se realizó una inspección de todos los elementos que conforman el prototipo de bus eléctrico.
Se procedió al diseño del nuevo sistema de frenos que se implementó en el prototipo de bus eléctrico, se determinaron los elementos y materiales adecuados para la construcción del sistema en función de cálculos de fuerza y presión necesarios para detener al prototipo de bus eléctrico, así como también simulaciones de resistencia y análisis estructural de los materiales que se utilizaron. Establecido así el diseño del sistema se procedió a su implementación y finalmente se realizaron las pruebas donde se determinó que el nuevo sistema de frenos implementado al prototipo de bus eléctrico está funcionando correctamente y que los elementos y materiales utilizados son los adecuados.
xxi
ABSTRACT
The electric prototype bus is a project of the Ministerio de Electricidad y Energía Renovable del Ecuador. In this monograph, it was determined, designed and installed the new vacuum system for the operation of the brake system of the bus.
The system was implemented by a DC electric motor in which a vacuum pump was coupled, a vacuum tank was installed for safety and a gauge placed for testing operation.
It began with a study of the different braking systems, components, features and performance, then a description of the bus, the state in which it was found, and an inspection of all elements of the electric prototype bus was performed.
We proceeded to design the new brake system that was implemented in the electric prototype bus, elements and materials to build the system were determined based on calculations of force and pressure needed to stop the electric prototype bus, as well as simulations of strength and structural analysis of the materials used. Established the system’s design we proceeded to the implementation and finally the tests of the system were made and it was determined that the new braking system implemented in the electric prototype bus was working properly and that the elements and materials used were appropriate.
1 Debido al elevado consumo de energía proveniente de la utilización de combustibles fósiles y la consecuente producción de contaminación ambiental por emanaciones de CO2 que genera el sector del transporte en nuestro país, el Ministerio de Electricidad y Energía Renovable ha establecido la necesidad de proponer alternativas de solución para enfrentar la problemática y se disminuya dicho consumo. Para el efecto, ha estructurado el proyecto denominado “Uso de Nuevas Tecnologías en el Transporte Urbano”, que según el Informe sobre la Fabricación del Prototipo de Bus Híbrido, “contempla tres etapas, estudios de pre factibilidad, el mismo que incluye la fabricación de un prototipo de bus híbrido, la segunda etapa es un estudio de factibilidad que permitirá determinar si es conveniente producir en serie estos buses híbridos en el Ecuador y la tercera etapa consiste en la introducción de esta nueva tecnología en el transporte público y pesado del Ecuador”. (Bermudez, 2010)
Al momento se está ejecutando la primera etapa del proyecto es decir la construcción del prototipo de bus híbrido.
El prototipo de bus hibrido fue adaptado en un bus marca Bottar del año 1988, se procedió a reemplazar su motor original de combustión interna (diesel) por un motor eléctrico de corriente alterna de 4 polos tipo jaula de ardilla, marca ABB, de 75 kW de potencia a 1800 rpm y un torque de 402 Nm.
Se ha acoplado en la caja de cambios del bus el motor eléctrico y así también se ha dispuesto de un grupo electrógeno como un sistema emergente de carga eléctrica.
En diciembre del 2009 se adquirió e instaló nueva carrocería que permitirá mayor versatilidad al momento del armado del sistema y se realizaron pruebas.
2 decir al momento el prototipo de bus hibrido no posee un sistema de frenos de servicio y estacionamiento, dando paso al desarrollo del presente trabajo monográfico.
El sistema de frenos hidráulico necesita para su funcionamiento un servofreno el cual es un sistema neumático, que aprovecha el vacío generado en el múltiple de admisión del motor de combustión interna para disminuir el esfuerzo que hace el conductor con su pie sobre el pedal del freno.
El bus eléctrico, como su nombre lo indica funciona por acción de un motor eléctrico el cual no posee un múltiple de admisión del cual podamos obtener el vacío necesario para el funcionamiento de nuestro servofreno como normalmente se tiene en un motor de combustión interna, por lo que se deberá instalar una bomba de vacío que realice dicho trabajo.
Con el problema establecido tenemos la necesidad de buscar la solución más eficiente. Iniciando así un proceso de investigación en el cual determinaremos el método adecuado para la instalación de una bomba de vacío que nos permita un frenado seguro y cómodo para el usuario.
De esta manera se planteó como objetivo general del presente trabajo monográfico el “Determinar e implementar el sistema adecuado de frenos de servicio y estacionamiento en el prototipo de bus eléctrico, proyecto del Ministerio de Electricidad y Energía Renovable”.
Como objetivos específicos se decidió: Realizar un análisis y estudio del estado actual del sistema de frenos del prototipo de bus eléctrico.
Elaborar un informe técnico para la implementación del sistema de frenos del prototipo de bus eléctrico.
4
2.1. SISTEMA DE FRENOS
Es el conjunto de elementos que componen las instalaciones de freno de un vehículo, que sirven para disminuir la velocidad del vehículo si este se encuentra en movimiento, llevándolo al reposo así como también mantenerlo en ese estado si ese fuera el caso.
2.1.1. INSTALACIONES DE FRENOS
2.1.1.1. Sistema del freno de servicio
Le permite al usuario disminuir la velocidad del vehículo de manera gradual o total cuando este se encuentre en funcionamiento.
Figura 1. Freno de servicio hidráulico
5
2.1.1.2. Sistema de frenos auxiliar
Como su nombre lo indica este sistema permitirá la reducción de la velocidad de un vehículo en caso de existir una avería con el freno de servicio.
2.1.1.3. Sistema del freno de estacionamiento
Su función es la de mantener al vehículo inmóvil por medios mecánicos, así este se encuentre sobre una pendiente, y primordialmente en ausencia del conductor.
Figura 2. Freno de estacionamiento
6
2.1.1.4. Sistema de freno continuo
Conjunto de componentes que tienen como función disminuir la velocidad del vehículo sin que exista desgaste en los elementos de fricción, permite así mismo mantener una velocidad casi constante al descender una pendiente. Este tipo de instalación puede contener uno o más retardadores.
2.1.1.5. Sistema electrónico de frenos
El control de este tipo de frenos se genera y procesa como una señal eléctrica en la transmisión de control. Una señal eléctrica de salida controla los componentes que generan la fuerza de apriete.
Figura 3. Frenos abs
7
2.1.2. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE FRENO
De acuerdo a la forma en que son accionados se clasifican en:
2.1.2.1. Frenos mecánicos
Figura 4. Esquema freno mecánico
(Marquez, 2014)
La fuerza aplicada al pedal por el conductor es transmitida a las zapatas de las diversas ruedas, por medio de varillas o cables, logrando de esta forma abrirlas y trabar los tambores de las ruedas.
8
2.1.2.2. Frenos hidráulicos
Son aquellos en los que la transmisión del esfuerzo de frenado aplicado al pedal de frenos se da por medios hidráulicos, para hacer actuar a los elementos de frenado.
Por lo general un sistema de frenos hidráulicos es un sistema asistido por el servofreno el cual tiene como función aliviar el esfuerzo del conductor, logrando una fuerza mayor de aplicación.
Puede ser servofreno por vacío que es el tipo más usado, o también del tipo hidráulico, eléctrico, por aire comprimido y mixto o integrales.
Al accionar el pedal de freno actúa la bomba de freno que envía líquido a presión por las cañerías de freno, hasta los cilindros de las ruedas; los pistones de cada cilindro son desplazados hacia fuera, presionando las zapatas y cerrando las mordazas respectivamente contra la superficie de trabajo del tambor y disco de freno.
Al soltar el pedal la presión del líquido disminuye; y los elementos de frenado de las ruedas vuelven a su posición inicial, regresando el líquido del cilindro hacia la bomba.
9
Figura 5. Esquema freno hidráulico
(Palomares, 2013)
Este sistema de frenos fundamenta su funcionamiento en dos principios básicos de la física:
Principio de Pascal
La Fricción
Principio de Pascal
La presión ejercida sobre la superficie de un líquido contenido en un recipiente cerrado se transmite a todos los puntos del mismo con la misma intensidad. (Física Práctica, 2007)
Se expresa matemáticamente en la formula [1].
F1 A1
=
F2 A2
=
F3
10
Figura 6. Ley de Pascal
(Manual Práctico del Automóvil reparación y mantenimiento, 2008)
"Durante una aplicación típica de frenos solo se desplaza aproximadamente 5 ml de fluido de frenos desde el cilindro maestro hasta el interior del sistema hidráulico para que ocurra la acumulación de presión." (Villar, 2006)
Fricción
11
Líquido de freno
"El líquido de freno es un líquido hidráulico que gracias al principio de Pascal permite la transmisión de fuerza entre el pedal de freno y los dispositivos de freno. Se trata de un aceite muy fluido (SAE 5), y su especificación es mediante el índice DOT (Department Of Transportation), que a medida que este aumenta también lo hace el punto de ebullición. Están elaborados a base de glicoles (excepto el DOT 5), muy perjudiciales para la pintura." (Velasco, 2010)
Las principales características buscadas en un líquido de freno son:
Punto de ebullición alto.
Punto de congelación alto.
No dañar las partes de hule que componen el sistema de frenos.
Figura 7. Puntos de ebullición líquidos de freno
12
Figura 8. Viscosidad líquido de freno DOT3
(Bosch, Líquido de frenos, 2012)
2.1.2.3. Frenos neumáticos
13
Figura 9. Esquema del sistema de frenos neumático
(Incolbest, 2008)
Circuito de frenado principal
14
Circuito de parqueo
Como se observa en la figura 10 del primer depósito de aire, hay una conexión hacia un manómetro (11) y además a una válvula manual de parqueo (10), en el momento que esta es accionada permite el paso del aire hacia la electro válvula (7) y después hacia la válvula repartidora (8), moviendo internamente el diafragma y desplazando la palanca que gira la leva de las zapatas posteriores produciendo el frenado.
Figura 10. Sistema de frenos de aire comprimido
(Zhañay, 2011)
Circuito doble de frenos de aire comprimido
15
Figura 11. Instalación de circuito doble
(Zhañay, 2011)
16 En caso del fallo de un circuito de frenado, se cierra una válvula y el aire transmitido por el compresor se dirige únicamente hacia el depósito de la otra línea.
2.1.2.4. Frenos eléctricos
Es un dispositivo que permite reducir la velocidad o detener un vehículo mediante accionamiento eléctrico. Por la forma de aplicar la electricidad se pueden distinguir dos tipos de sistemas:
Freno eléctrico
El mando del dispositivo lo realiza por un controlador destinado a dosificar la intensidad de la corriente que circula en las bobinas del electroimán.
Consiste en hacer actuar los elementos de frenado por medio de la aplicación proporcional de un actuador. Esto se consigue dosificando la corriente gracias a una resistencia eléctrica.
Ralentizador eléctrico
"Es un elemento de seguridad activa instalado en la línea motriz del vehículo. Su instalación puede realizarse a la salida de la caja de cambios, intercalado entre dos tramos de transmisión o sobre el puente diferencial del eje motriz del vehículo.
17 los tramos de carretera con curvas pronunciadas. Los ralentizadores eléctricos son aparatos que se basan en el aprovechamiento de las corrientes parásitas o de Foucault que se crean en masas metálicas macizas al girar dentro de un campo magnético uniforme." (Superfren, 2012)
Figura 12. Ralentizador eléctrico
(Frenelsa, 2009)
2.1.3. FRENOS DE DISCO
Existen dos grandes grupos utilizadas en el montaje de frenos de disco:
2.1.3.1. Los frenos de sistema rígido
18 Los émbolos presionan, por ambos lados, las pastillas del freno contra el disco. Al soltar el freno, los émbolos se retraen en determinada medida por las juntas de embolo conformadas. Por tanto no es necesario el reglaje o ajuste de los frenos de disco.
2.1.3.2. Los frenos de sistema flotante
Mediante este sistema existen dos tipos:
Porta pinza flotante
La pinza solidaria de accionamiento lleva dos pistones. Uno acciona directamente sobre una de las pastillas de freno, el otro acciona sobre la otra pastilla por medio de la porta pinza.
Figura 13. Esquema frenos de disco con porta pinza flotante posición reposo
19
Figura 14. Esquema frenos de disco con porta pinza flotante posición de frenado
(Manual Práctico del Automóvil reparación y mantenimiento, 2008)
Pinza flotante
20
Figura 15. Esquema frenos de disco con pinza flotante
(Manual Práctico del Automóvil reparación y mantenimiento, 2008)
Figura 16. Pinza flotante
21
2.1.3.3. Ventajas de los frenos de disco
• Mayor resistencia al desvanecimiento debido a que el rotor y las pastillas son instaladas en una posición en la que el aire enfría rápidamente las partes, más del 80% del rotor se encuentra expuesto al aire.
• Pueden frenar estando mojados.
2.1.3.4. Desventajas de los frenos de disco
• Los frenos de disco no tienen la característica de reforzar la energía aplicada a ellos, por consiguiente requieren mayor presión entre las pastillas y el rotor, que la requerida por los frenos de tambor.
• Las partes de los frenos de disco están más propensos a ensuciarse, corroerse o golpearse debido a su mayor exposición.
2.1.3.5. Componentes del sistema de frenos de disco
Según (Villar, 2006) los componentes del sistema de frenos de disco son:
El disco
22
Mordazas
Los primeros frenos de disco de carros americanos contenían cuatro pistones, dos de cada lado de los rotores, a esto se llamaba mordaza fija. El anillo “o” o sello de la mordaza, actúa como resorte de recuperación del pistón.
Perno de montaje
Se encarga de sujetar la mordaza a la base del rotor para que ésta se mantenga fija y ejerza su función correctamente.
Pastilla
Es el material de fricción encargado de detener el movimiento del rotor.
Perno pasador guía de mordaza
Es el encargado de guiar el montaje de la mordaza.
Indicadores de desgaste
23
Indicadores de desgaste mecánicos
Uno lo indica por medio de una ranura en la pastilla. Cuando la ranura no se ve, la pastilla debe cambiarse. El otro es mecánico y hace contacto con el rotor, ocasionando un ruido que indica que la pastilla está desgastada.
Indicadores de desgaste eléctricos
Funcionan mediante un alambre que conduce a un sensor en el borde de la pastilla de fricción. Cuando ésta se desgasta hasta el punto de reemplazo, el sensor eléctrico hace contacto con el rotor de frenos y se completa el circuito eléctrico, encendiéndose una luz indicadora.
Clavijas de retención de pastillas y placas
Detienen el conjunto de las pastillas en forma tal que se evite una vibración durante la acción de frenado.
Pistón de la mordaza
24
Figura 17. Esquema componentes freno de disco
(Villar, 2006)
2.1.4. FRENOS DE TAMBOR
"El mando de frenos tendrá por misión separar las zapatas y poner en contacto las guarniciones con el tambor. La recuperación es efectuada por un muelle.
En movimiento el tambor tiene tendencia a arrastrar las zapatas. Por esto la zapata primaria va a sostenerse sobre su articulación de modo que aumentara el rozamiento y por tanto la frenada. Esto es el fenómeno de arrastre.
25
2.1.4.1. Ventajas del freno de tambor
Son comúnmente conocidos por todos los mecánicos en el ramo de servicio.
Se tienen disponibles las partes de más uso.
Se requieren pocas herramientas o equipos especiales y de requerirse, son de bajo costo.
Es fácil usar el freno de estacionamiento y darle servicio junto con los frenos de tambor.
2.1.4.2. Desventajas del freno de tambor
Este sistema tiene algunos inconvenientes:
Desgastes desiguales.
Esfuerzos desproporcionados.
Aumentos de recorrido para el sistema de mando.
2.1.4.3. Componentes del sistema de frenos de tambor
Según (Villar, 2006) los componentes del sistema de frenos de tambor son:
El tambor
26 recibir esta fuerza sin sufrir daño. El contenido de carbono de 3% del hierro colado actúa también como un lubricante que evita el ruido durante el frenado, permitiendo además que la superficie de fricción se pueda rectificar sin el uso de fluido de enfriamiento. También se utilizan los tambores de freno de aluminio con hierro colado para el área de fricción, estos poseen las ventajas de ahorrar peso y transferir calor al aire circundante con más rapidez que el hierro colado y el acero.
Frenos de estacionamiento
Se puede aplicar ya sea con una palanca manual o con un pedal. Algunos frenos de estacionamiento accionados con el pie utilizan un mecanismo de trinquete que requiere que el conductor oprima el pedal varias veces para poder aplicarlo. Este tipo de freno mecánico se conoce como de bombear para fijar. El mecanismo de pedal o de palanca se proyecta para aplicar la fuerza requerida sobre el freno de estacionamiento usando el esfuerzo normal del conductor. Los frenos de estacionamiento se traban dentro de una ranura o muesca que lo mantiene aplicado hasta que se libere.
Cilindro auxiliar o cilindro de rueda
27
Zapata
Es la encargada de detener la rueda mediante la presión que ejerce sobre la superficie de fricción del tambor. Se encuentra sujeta por unos pasadores u opresores en su parte central y por una palanca de apoyo.
Resortes de recuperación
Su trabajo es recuperar la posición original de la zapata, cuando se libera la presión sobre el pedal de frenos. Son tres, dos se encuentran sujetos a los cilindros en la parte superior y uno se encuentra en el ajustador de frenos.
Ajustador de frenos
Se encargan de ajustar las zapatas de freno para su mejor rendimiento.
Figura 18. Esquema componentes freno de tambor
28
2.1.5. SERVOFRENO DE PRESION NEGATIVA
Es el más utilizado debido a su fácil construcción y su menor costo.
“En este tipo de sistema la superficie de la membrana del lado del pedal es presionada con aire comprimido exterior, en función de la fuerza del pedal, mientras que en el otro lado de la membrana sigue habiendo presión negativa.” (Bosch, Manual de la Técnica del Automóvil, 2005) La fuerza resultante de la diferencia de presión actúa en conjunto con la que se aplica del pedal.
Figura 19. Servofreno de presión negativa
29
2.1.5.1. Hidromaster
Es una unidad de servofreno de vacío el cual permite una gran multiplicación de la fuerza hidráulica de frenado. Es muy similar al sistema Master –Vac ya que utiliza la diferencia de presión atmosférica y una negativa generando así una acción de servo.
El hidromaster consiste en una carcasa cilíndrica, un pistón de trabajo, un resorte antagónico, el montaje de un cuerpo de válvulas y un pistón hidráulico.
Figura 20. Hidromaster
(Izusu, 2001)
30
2.1.6. ESTUDIO DEL SISTEMA DE FRENOS
2.1.6.1. Fuerzas de frenado
Las fuerzas de frenado que intervienen en el momento de detener el automóvil se las considera en dos instantes:
Al momento de presionar el pedal del freno, la fuerza de frenado es transmitida hacia los cilindros que a través del sistema zapata- tambor o pastilla- disco, permiten el rozamiento entre estos elementos logrando así que la rueda se detenga.
La fuerza de rozamiento que se produce entre el neumático y el suelo, después que la ruedas hayan sido detenidas por el sistema de frenos.
Se debe notar que para poder detener el vehículo se produce una fuerza de rozamiento entre los elementos del freno que detendrán la rueda y entre el neumático y el suelo que será la fuerza que detiene el automóvil.
Fuerza de fricción estática
En condiciones ideales las superficies en contacto de dos cuerpos son lisas permitiendo así que la fuerza de interacción de estos cuerpos actué siempre en dirección normal a la superficie en el punto de contacto de los cuerpos. En la práctica sabemos que todas las superficies tienen rugosidades, por lo que se debe considerar que los cuerpos soportan fuerzas tangenciales y normales en sus superficies de contacto.
31 La fuerza de fricción actúa siempre en dirección tangente a los punto de contacto neumático-suelo y en sentido opuesto al movimiento del vehículo. En el rozamiento del neumático con el terreno, la resistencia es provocada por las rugosidades existentes de las dos superficies en contacto. Existe una atracción molecular entre ambas superficies y es la que produce resistencia al movimiento.
Figura 21. Fuerzas de fricción del automóvil
(Moncayo, 2004)
Como se observa en la figura 22 𝐹𝑠1 y 𝐹𝑠2 son las fuerzas de rozamiento y se oponen a F que es la fuerza del vehículo producida por el motor.
Si F> 𝐹𝑠1+𝐹𝑠2 hay movimiento. Si F≤ 𝐹𝑠1+𝐹𝑠2 no hay movimiento.
La fuerza de rozamiento de la rueda sobre el piso se puede calcular mediante fórmula [2].
𝐹𝑠 = 𝑁 ∗ 𝜇𝑠 [2]
32 El coeficiente de rozamiento estático dependerá del material de los neumáticos así como su estado y presión, además del material del suelo por el que se desplace.
Figura 22. Valores del coeficiente de rozamiento estático 𝜇𝑠
(Moncayo, 2004)
Fuerzas de frenado en el sistema de frenos
Este sistema es el que se encargara de detener el giro de las ruedas del vehículo.
La presión que se ejerce en los elementos mecánicos de rozamiento como son pastillas o zapatas tiene su origen en el pedal del freno.
33
Figura 23. Fuerzas en el pedal del freno
(Moncayo, 2004)
La fuerza 𝐹1 se ejerce en el vástago del émbolo de la bomba de frenos y se calcula en función de la fuerza F que será la que aplica el conductor.
𝐹
1=
𝐹∗𝑎𝑏 [3]
Debido a que la fuerza 𝐹1 actúa en un circuito hidráulico es necesario determinar la presión 𝑃𝐵que existe en la bomba.
𝑃
𝐵=
𝐹1 ∅12∗𝜋4
[4]
Donde:
34
Figura 24. Diámetros de la bomba y bombín
(Moncayo, 2004)
La presión en los bombines 𝑃𝑏 será:
𝑃
𝑏=
𝐹2 ∅22∗𝜋4
[5]
Donde:
∅2: Diámetro del émbolo del bombín
35
Figura 25. Fuerzas y presiones en el circuito hidráulico de frenos
(Moncayo, 2004)
La fuerza F1 que es aplicada al vástago del cilindro de la bomba de frenos es multiplicada debido al principio de pascal, ya que en el sistema la presión será constante pero la fuerza variará de acuerdo al área de los cilindros. Por medio de este principio concluimos que la presión en todo el sistema es la misma y por tanto 𝑃𝐵= 𝑃𝑏.
𝐹1
∅12∗𝜋 4
=
𝐹2 ∅22∗𝜋4
En donde despejamos 𝐹2
𝐹
2=
𝐹1∗∅2 2∅12 [6]
36
Fuerzas de rozamiento de los elementos del freno
Para poder detener un vehículo que se encuentra en movimiento se utilizan los frenos. Sean estos de tambor o pastillas; siempre utilizan dos piezas una fija y una móvil, y mediante la fricción de estas se logra frenar las ruedas del vehículo para su posterior detención.
En los frenos de tambor, las zapatas ejercerán fricción produciendo así un par de frenado opuesto al movimiento del tambor.
𝐶 = 𝐹𝑡∗ 𝑑 [7]
C es el par que se produce por la acción de una fuerza 𝐹𝑡 de rozamiento entre la zapata y el tambor, a una distancia d, del eje de rotación de la rueda hasta la posición de rozamiento de los elementos de fricción.
Figura 26. Fuerzas de rozamiento en el tambor
(Moncayo, 2004)
37 eje de rotación del neumático con respecto al punto de contacto entre el neumático y el piso es decir donde se produce 𝐹𝑆.
𝐶 = 𝐹𝑆∗ 𝑑′ [8]
Se igualan las expresiones del momento C obteniendo:
𝐹𝑡∗ 𝑑 = 𝐹𝑆 ∗ 𝑑′
Despejando se tiene:
𝐹
𝑡=
𝐹𝑆∗𝑑′𝑑
[9]
La fuerza 𝐹𝑡 se calcula también por medio de la ecuación [10]:
𝐹𝑡 = 𝐹2∗ 𝜇 [10]
Donde 𝐹2 es la fuerza de acoplamiento entre zapata y tambor y 𝜇 el coeficiente de rozamiento entre la zapata y el tambor.
2.1.6.2. Tiempos de frenado
38
Tiempo de reacción 𝒕𝟎
Lapso de tiempo desde que se toma la decisión hasta la activación del dispositivo de accionamiento.
Tiempo de movimiento del dispositivo de accionamiento
Desde que comienza el efecto de la fuerza del dispositivo de accionamiento hasta que llega a cada uno de los puntos finales.
Tiempo de respuesta 𝒕𝟏− 𝒕𝟎
Tiempo transcurrido desde que empieza el efecto de la fuerza sobre el dispositivo de accionamiento hasta el inicio de la fuerza de frenado.
Tiempo umbral 𝒕𝟏`− 𝒕𝟏
39
Tiempo de respuesta y tiempo umbral
Esta suma nos permitirá conocer el comportamiento en el tiempo del sistema de frenos hasta alcanzar la capacidad total de frenado.
Tiempo de frenado activo 𝒕𝟒− 𝒕𝟏
Tiempo transcurrido desde la aplicación de la fuerza de frenado hasta su desaparición.
Tiempo de suelta de freno
Establece el tiempo de duración desde que se suelta el dispositivo de accionamiento hasta la desaparición de la fuerza de frenado.
Tiempo de frenado 𝒕𝟒− 𝒕𝟎
40
Figura 27. Diagrama tiempos de frenado
(Bosch, Manual de la Técnica del Automóvil, 2005)
2.1.6.3. Desaceleración
Según (Bosch, Manual de la Técnica del Automóvil, 2005) se manifiestan las siguientes desaceleraciones en el momento del frenado.
Desaceleración de frenado
41
Desaceleración momentánea
𝑎 =
𝑑𝑣𝑑𝑡 [11]
Desaceleración media entre dos puntos de tiempo: 𝒕𝑩 y 𝒕𝑬
amt =
1 tE− tB
∗ ∫ a (t) ∗ dt ;
tE
tB
de esto resulta
a
mt=
vE−vBtE−tB [12] Donde:
vE y vB: Velocidades del vehículo en los instantes tE y tB.
Desaceleración media entre dos puntos del trayecto 𝐬𝐁 𝐲 𝐬𝐄
a
ms=
1
sE−sB
∗ ∫ a (s) ∗ ds ;
sE
sB
De esto resulta
𝑎
𝑚𝑠=
𝑣𝐸2−𝑣𝐵2
42 Donde:
vE y vB: velocidades del vehículo en los puntos sE y sB.
Desaceleración media en el recorrido hasta la detención
La desaceleración media se representa mediante la ecuación [14]
a
ms0=
−v022∗ s0 [14]
Donde:
𝑣0 : se refiera al tiempo 𝑡0 (caso especial de 𝑎𝑚𝑠 cuando 𝑠𝐸 = 𝑠0).
Para establecer una relación entre la distancia de frenado y la desaceleración, dicha desaceleración debe ser determinada como función mediante el trayecto.
2.1.6.4. Frenado Z
Relación entre la fuerza total de frenado 𝐹𝑓 y el peso estático total 𝐺𝑠 sobre el eje o los ejes del vehículo:
𝑧 =𝐹𝑓 𝐺
𝑠
43 Para lograr el frenado de un vehículo será necesario aplicar una fuerza contraria a la del movimiento. Esta desaceleración (aceleración negativa) será proporcional a la fuerza aplicada por ser la masa constante.
𝑑 =
𝐹𝑠𝑚 [16]
Donde:
d= desaceleración del vehículo.
𝐹𝑠= fuerza de frenado (neumático – piso) m= masa del vehículo.
Tiempo de frenado 𝒕𝒇
𝑡
𝑓=
𝑣𝑑 [17]
𝑡𝑓 en función de µ será:
𝑡
𝑓=
𝑣𝜇∗𝑔
[18]
Se considera que desde que un conductor visualiza el obstáculo y presiona el pedal del freno transcurre un cierto tiempo que se llamará tiempo de reacción 𝑡𝑟, el cual para efectos de cálculos y en condiciones normales se considera de un segundo.
Tiempo de frenado real será la fórmula [19]
𝑡𝑓𝑟𝑒𝑎𝑙 = 𝑣
44 Para obtener un resultado de manera clara y precisa se consideró necesario realizar una investigación científica. “Esta posee una serie de pasos para lograr el objetivo planteado o para llegar a la información solicitada, tiene como base el método científico y este es el método de estudio sistemático de la naturaleza que incluye las técnicas de observación, reglas para el razonamiento y la predicción, ideas sobre la experimentación planificada y los modos de comunicar los resultados experimentales y teóricos”. (Rodríguez, 2010)
Se puede decir también que la investigación desarrollada en el presente proyecto es del tipo aplicada que según (Rodríguez, 2010) busca establecer conocimientos con fines de aplicación inmediata a la realidad para modificarlo; es decir presenta solución a problemas prácticos más que formular teorías sobre ellos.
Se utilizan varias estrategias que permitan dar solución al problema planteado como la investigación documental la que se basa en análisis de datos obtenidos de diferentes fuentes de información, la investigación de campo que se basa en métodos que permiten recoger los datos en forma directa de la realidad donde se presenta y finalmente la investigación experimental con la que se manipula los datos directamente o mediante la creación de condiciones para establecer mecanismos de control y llegar a conocer las relaciones causa-efecto del fenómeno.
Los datos obtenidos serán cualitativos y cuantitativos los que permitirán determinar de manera eficaz el sistema adecuado a instalar así como también los elementos que conformarán el nuevo sistema de frenos del prototipo de bus eléctrico.
Bajo este fundamento se estableció la siguiente metodología:
Efectuar un proceso de observación para determinar las condiciones en las que se encuentra el prototipo de bus eléctrico.
Recopilar datos.
45
Cálculo y diseño del nuevo sistema.
Implementación.
Pruebas.
Esta metodología de investigación y establecimiento de tareas, son las que permitirán cumplir con el objetivo del proyecto de una manera clara, ordenada y precisa.
3.1. SISTEMA DE FRENOS DEL PROTOTIPO DE BUS
ELÉCTRICO
3.1.1. DESCRIPCIÓN DEL BUS
El prototipo de bus eléctrico fue construído en un bus de la ex Comisión Ecuatoriana de Energía Atómica marca: Bottar, clase: Omnibus, año de fabricación 1988.
El bus mencionado dispone de un motor diésel marca Isuzu modelo 6BD1, de 103 kW de potencia a 3000 rpm y un torque de 402 Nm entre 1600-1800 rpm.
Al no tener mayor información que la mencionada sobre el bus se realizó una minuciosa investigación y de acuerdo a las características del bus tanto de capacidad de carga como de las especificaciones del motor diésel se determinó que el modelo del mismo es el Isuzu FSR 450 Short.
46
Tabla 1. Características generales del Isuzu FSR 450 Short
Motor Transmisión
Eje delantero
Eje posterior
Base de
la llanta Frenos
Isuzu 6BD1 5.8lts Isuzu MBG5C 5 velocidades Capacidad 3400 kg Capacidad 7700 kg
3730mm Hidráulicos con servo
de vacío
(Isuzu GM, 2003)
El sistema de frenos de servicio que posee el bus es hidráulico, con un servo de vacío y tiene un circuito doble de frenado tanto en su parte delantera como en la posterior.
El freno de parqueo es de tipo mecánico y está colocado a la parte trasera de la transmisión.
El sistema eléctrico del bus está compuesto por:
Dos baterías de 12V.
El alternador de 24V - 40A.
El motor de arranque de 24V – 4.5KW.
47
Tabla 2. Características del motor Isuzu 6BD1
Tipo
Diámetro por carrera
(mm)
Cilindraje Compresión Potencia de salida (KW)
Torque (Nm)
Diésel OHV
6 cilindros
102 x 118
5785cc 17.0:1 100@3200rpm 353@2000rpm
(Isuzu GM, 2003)
Figura 28. Desempeño del motor Isuzu 6BD1
48 Los neumáticos tienen las siguientes características.
8.25R - 16lt 12ply (Dunlop Highway).
Figura 29. Neumático 8.25R - 16lt 12ply (Dunlop Highway)
(Linglong, 2010)
3.1.2. SITUACIÓN ACTUAL DEL PROTOTIPO DE BUS ELÉCTRICO
Hay que tener presente que el bus al momento es híbrido por cuanto posee un grupo electrógeno que cargue las baterías y ayuda en el desempeño del mismo, pero el objetivo final del proyecto es el de llegar a obtener un autobús netamente eléctrico. El hibrido es un paso intermedio hasta realizar las pruebas necesarias que permitan tener un bus eléctrico funcionando eficazmente.
Manifestado esto se procede a detallar el proceso de adaptación del autobús eléctrico.
Se reemplazó el motor original por un motor eléctrico de corriente alterna de 4 polos tipo jaula de ardilla, marca ABB, de 75 kW de potencia a 1800 rpm y un torque de 402 Nm.
49 banco de baterías como fuente de energía, cuya corriente continua era convertida en corriente alterna por la presencia de un Inversor de marca ABB, todo esto se administra mediante un sistema de control automático.
Figura 30. Montaje de la caja al motor eléctrico
(Bermudez, 2010)
Figura 31. Estructura metálica para el banco de baterías
50 El prototipo de bus híbrido dispone además de un sistema emergente de carga eléctrica conformado por un grupo electrógeno acoplado al chasis del bus y un banco de ultra capacitores que almacenan la carga eléctrica que las baterías no alcanzan a guardar.
Figura 32. Grupo electrógeno y motor eléctrico
(Bermudez, 2010)
Figura 33. Cargador de batería e inversor
51 Luego de que se montaron en el chasis y la nueva carrocería, todos los elementos adquiridos, se realizó una prueba de funcionamiento del prototipo de bus híbrido con las ruedas traseras propulsoras elevadas para que no exista contacto con el piso y de esta manera evaluar el funcionamiento de los acoples.
Esta es la situación en la que se encuentra el prototipo de bus eléctrico hay que resaltar que al momento de realizar la adaptación del motor eléctrico a la caja de cambios y de implementar todos los sistemas eléctricos que permitan poner en funcionamiento al prototipo de bus eléctrico quedó inhabilitado el sistema de frenos así como otros sistemas que no permiten que el prototipo de bus eléctrico sea funcional.
Estos datos fueron tomados del Ing. Mario Bermúdez funcionario del Ministerio y encargado del proyecto. En su informe Sobre la Fabricación del Prototipo de Bus Híbrido, Ministerio de Electricidad y Energía Renovable, Subsecretaría de Energía Renovable y Eficiencia Energética, Quito, Ecuador.
3.1.3. SISTEMA DE FRENOS DEL PROTOTIPO DE BUS ELÉCTRICO
El objetivo del presente trabajo monográfico es el de poner en funcionamiento el sistema de frenos del bus, por lo cual se tiene como referencia el modelo original del sistema instalado, se utilizó el esquema hidráulico a través del cual se trabajó y se diseñó el nuevo sistema a ser instalado.
52
Figura 34. Esquema hidráulico sistema de frenos
(Izusu, 2001)
El objetivo es que el sistema de frenos funcione como se indica en el esquema hidráulico original.
3.1.3.1. Situación de los elementos en el sistema de frenos del prototipo de bus eléctrico
Pedal
53 Además funciona como palanca para multiplicar la fuerza que el chofer aplica, esta fuerza es comunicada a la bomba de frenos directamente.
Al realizar la inspección en el autobús observamos que el pedal se encuentra en buen estado, no presenta signos de haber sido modificado, su ubicación y posición de accionamiento son los originales establecidos por el fabricante.
Se encuentra conectado con la bomba de frenos, al presionar el pedal no presentó resistencia alguna, ya que el sistema se encuentra sin líquido de frenos.
Figura 35. Pedal del freno
Bomba de frenos
La bomba de frenos o cilindro maestro, es la que recibe la fuerza proveniente del pedal, aquí el líquido de frenos proveniente del depósito es empujado por acción de esta fuerza, su presión se eleva y va por las cañerías hacia el resto del sistema de frenos.
54 desarmo y se observó que el retenedor tenía ya signos de desgaste avanzado, presentaba grietas y por lo tanto se decidió cambiar dicho retenedor con la intención de aumentar la vida útil de la bomba así como también de mantener la hermeticidad en la bomba y garantizar así su óptimo funcionamiento.
Figura 36. Bomba de frenos
55
Cañerías
Las cañerías son tuberías rígidas que transportan el líquido de frenos por todo el sistema, su diseño dependerá del fabricante pero se deben evitar codos y curvas excesivas. El material y el diámetro de la cañería se deben colocar en función a las altas presiones de trabajo a las que están sometidas.
Al realizar la inspección se observó que el sistema de cañerías se encuentra en buen estado, no se hallaron cañerías desconectadas, el sistema hidráulico está intacto, no presenta signos de haber sido manipulado.
56
Figura 39. Cañerías de las ruedas vista lateral
Figura 40. Cañerías de las ruedas vista superior
Hidromaster
57 Es de gran diámetro y debido a esto logra una gran multiplicación de la presión.
Se encuentra en buen estado, no presenta signos de haber sido manipulado. Del buen funcionamiento de este elemento dependerá que el autobús pueda frenar con seguridad, confiabilidad y confort.
Figura 41. Hidromaster
Tambor
Este es un elemento de fricción, el cual está en contacto directo con el forro de la zapata, entre ambos elementos deberán generar la fuerza opuesta al movimiento necesaria para detener al vehículo. Debido a su funcionamiento está sometido a grandes fuerzas y temperaturas.
58 Se observó que existe un desgaste normal, no presenta marcas inusuales ni ralladuras, por lo que se determinó que no es necesario su rectificación.
Figura 42. Tambor
59
Zapatas
Son elementos de fricción que conforman la parte fija del vehículo, contrario al tambor que gira solidariamente con las ruedas.
Hay dos zapatas por cada rueda y cada una es impulsada por un pistón, lo que se conoce como bombín o bomba de las ruedas.
Al desmontar la rueda, se quitó el tambor y se observó las zapatas, se revisó que los resortes antagónicos estuvieran en buen estado y se midió el espesor del forro, el cual es de 11 mm, medida que está en el parámetro adecuado para su correcto funcionamiento.
60
Figura 45. Zapatas desmontadas
Cilindros de las ruedas
Una vez desmontadas las zapatas se procedió a verificar el estado de los pistones y cilindros de las ruedas, se observó que los cilindros no posean ralladuras y que los retenedores de los pistones estuvieran en buen estado. Los cilindros deben empujar a las zapatas para que estas hagan contacto con el interior del tambor, la presión que deben ejercer es muy elevada, esta presión final que entregan los bombines es la que detiene al autobús.
61
Figura 47. Pistón de la rueda
3.1.3.2. Elementos faltantes en el sistema de frenos del prototipo de bus eléctrico
Al finalizar una minuciosa inspección del sistema de frenos, y del estado de cada uno de los elementos que conforman el mismo, se llega a la conclusión que faltan dos elementos que formaban parte del sistema original y sin los cuales los frenos no pueden funcionar.
Los elementos faltantes son los siguientes.
Bomba de vacío
62 bomba de vacío, la cual funcionaba solidaria al movimiento del alternador, al ser reemplazado el motor de combustión interna la bomba se desechó. La bomba de vacío genera la depresión necesaria en el hidromaster para que este cumpla la función de servofreno.
En la figura 48 se observa una bomba de vacío mecánica similar a la que se retiró del sistema de frenos original del autobús.
Figura 48. Bomba de vacío Nissan
(Nissan, 2007)
Tanque de vacío
En el sistema de frenos es un elemento muy importante, el mismo cumplirá como un tanque de almacenamiento, de reserva de vacío, para proveer la depresión necesaria en cada instante del frenado.
63 Se deberá calcular su capacidad exacta y comprobar que es el idóneo para el sistema que se instalará. Cálculo que se realizará más adelante.
Figura 49. Tanque de vacío
Figura 50. Tanque de vacío Isuzu
64 Finalizada la inspección se llega a la conclusión que el sistema de frenos necesita un nuevo sistema por medio del cual se pueda activar una bomba de vacío, que pueda cumplir con la depresión necesaria en el hidromaster para poder cumplir la función de servofreno.
3.2. DISEÑO
Una vez descritos todos los posibles sistemas de freno para el prototipo de bus eléctrico del Ministerio de Electricidad y Energía Renovable y por cuestiones de costos se llega a la conclusión de que el sistema adecuado a ser instalado es el de frenos hidráulicos, es decir mantener el sistema original del bus, con la adaptación de un nuevo sistema de vacío que permita tener un servofreno activo y funcionando.
El diseño del sistema se lo realizó mediante el programa digital “Autodesk Inventor” y mediante cálculos físicos y matemáticos que permitieron la correcta selección de los elementos y materiales para su posterior instalación en el nuevo sistema de frenos del prototipo de bus eléctrico los cuales se detallan a continuación.
3.2.1. CÁLCULOS
65
3.2.1.1. Datos recolectados
Para la implementación del nuevo sistema de frenos se realizaron medidas de los elementos que están instalados, los cuales fueron revisados previamente y están en buenas condiciones y funcionando.
Los datos que se obtuvieron son los siguientes:
Diámetro del pistón de la bomba principal de frenos
øBOMBA = 39mm =0.039m
Diámetro del pistón de la bomba de las ruedas
øBOMBÍN= 36,5mm =0.0365m
Diámetro del Hidromaster
øHIDROMASTER= 254mm =0.254m
Diámetro de las cañerías
66
Distancias del pedal de frenos
a = 0.3m
b = 0.12m
En la figura 51 se observan las fuerzas, presiones y diámetros que conforman el sistema de frenos del prototipo de bus eléctrico.
Figura 51. Esquema de las fuerzas, presiones y diámetros del sistema de frenos.
Donde:
𝐹
𝐶= Fuerza con la que el conductor pisa el pedal.F
1= Fuerza en la bomba67
∅
1= Diámetro del pistón de la bomba de frenos∅
2= Diámetro del pistón de la bomba de las ruedasP
1= Presión que ingresa al hidromasterP
2= Presión que sale del hidromasterP
B=
Presión de la bomba de vacíoIdentificados los principales datos, se procede al cálculo de las magnitudes necesarias para la implementación del sistema.
3.2.1.2. Fuerza en la bomba
La fuerza
𝐹
𝐶 que se aplica en el pedal por parte del conductor se tomó como dato de un estudio realizado para la mejora de las condiciones de seguridad y ergonomía del puesto de conducción de autocares. (INSIA, 2003) Como se muestra en la figura 52.Figura 52. Fuerzas en el pedal del freno
68 Se calcula
F
1 que es la fuerza que entrega la bomba, la cual se multiplica por efecto del pedal.F
1=
𝐹𝐶∗ab
F
1=
50N∗0.3m0.12m
F
1= 125N
Para un correcto diseño y posterior implementación del sistema es necesario determinar un factor de seguridad.
Se llama así a la relación entre la carga límite que puede soportar un elemento y la carga máxima admisible. El coeficiente de seguridad permite a los proyectistas resguardar los elementos proyectados de eventuales roturas, debidas a imprecisiones del cálculo de las solicitaciones, por la inevitable discrepancia existente entre las estructuras reales y las esquematizadas para facilitar los cálculos, así como por eventuales defectos de los materiales. (Diccionario, 2010)
f
s=
𝑉𝐴𝐿𝑂𝑅𝑇𝐸Ó𝑅𝐼𝐶𝑂
𝑉𝐴𝐿𝑂𝑅𝑃𝑅Á𝐶𝑇𝐼𝐶𝑂
[20]
f
s=
420N125N
f
s= 3.36
Una vez determinado el valor del factor de seguridad se lo multiplica por el valor teórico calculado obteniendo así un valor real práctico.
F
1= f
s∗ 125N
[21]
69
3.2.1.3. Presión líquido de frenos (baja presión)
Se calcula la presión P1que será la que sale de la bomba, esta presión será constante en todas las cañerías hasta llegar al hidromaster.
P
1=
F1A1
[22]
Previamente se debe calcular el área donde es ejercida dicha presión la cual se calcula por medio de del radio del pistón de la bomba.
A = π ∗ r
2[23]
𝐴
1= π ∗ r
12𝐴
1= π ∗ 0.0195
2𝐴
1= 1.19 ∗ 10
−3m
2Se aplica la ecuación [22] y se obtiene
P
1=
420𝑁
1.19 ∗ 10
−3m
2P
1= 352941.17 Pa
Para tener una idea más clara acerca de la presión que ingresa al hidromaster se transforma las unidades de pascales a bares.
Considerando que 1Bar=100000Pa
70 La presión
P
1 únicamente corresponde al líquido hidráulico (baja presión) es decir antes de salir del hidromaster, ya que este realiza un efecto de servofreno y multiplica la presión del fluido.El diagrama de presiones del líquido de frenos y vacío en el sistema se observa en la figura 53.
Figura 53. Esquema de presiones del líquido de frenos y vacío
Como se observa en la figura 53 se diferencian 3 secciones en el sistema de frenos del bus, así mismo se ha dividido el cálculo para cada sección en específico.
