UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRÍZ
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL Y
GRAFICADOR DE CURVAS DE OPERACIÓN DE UN BANCO
SIMULADOR DEL SISTEMA DE FRENOS DE DISCO Y TAMBOR
DE UN VEHÍCULO LIVIANO
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
JULIO CESAR RÍOS CAMACHO
DIRECTOR: ING. ALEX GUZMÁN ANTAMBA MSc.
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 120629524-6
APELLIDO Y NOMBRES: Ríos Camacho Julio Cesar
DIRECCIÓN: Unión y Progreso y Emilio Bustamante
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 2296022
TELÉFONO MÓVIL: 0981845445
DATOS DE LA OBRA
TITULO:
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN
SISTEMA DE CONTROL Y GRAFICADOR DE CURVAS DE OPERACIÓN DE UN BANCO SIMULADOR DEL SISTEMA DE FRENOS DE DISCO Y TAMBOR DE UN VEHÍCULO LIVIANO.
AUTOR O AUTORES: Julio César Ríos Camacho
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
14 de Septiembre de 2017
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Ing. Alex Guzmán
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: Mínimo 250 palabras
El presente proyecto se realizó para estudiar los sistemas de frenos de disco y tambor a través de un control electrónico graficador de curvas de operación del banco de frenos, el presente proyecto nos permitirá evaluar factores como presión de frenado, fuerza de frenado, variación de temperatura entre los elementos de disco y tambor, todo esto se realizará por medio de un software el cual recibirá variación de voltaje de los sensores los cuales a través de interfaces de control permitirán que estas variaciones de voltaje se conviertan en valores físicos como fuerza, temperatura y presión, mediante el uso de LabView se podrá visualizar todos estos valores es un programa que permite la programación grafica de pantallas de datos, para el presente proyecto, las múltiples pantallas tendrán control de uno o más
sensores al momento de ser seleccionados, cabe recalcar que la alimentación de sensores y tarjetas de control se la realizan por medio de un ordenador el cual se encargara específicamente de crear los enlaces entre sensores, tarjetas, controladores y computadora de control, las tarjetas son de una programación amigable con LabView como son arduino mega, y arduino nano, que son perfectamente compatibles con las tarjetas y los sensores.
PALABRAS CLAVES:
Sensores de presión, tarjetas de control, arduino nano, arduino mega, sistema de control, LabView, sensores infrarrojos, termocuplas, adaptaciones, interfaces de control, sensores de fuerza, celda de carga, puente de wheatstone, sensores de proximidad, termocuplas, termo contraíble, cables automotrices, disco, tambor, adaptaciones, programación, curvas de operación, tablero de encendido, cables protoboard.
ABSTRACT:
The present project was carried out to study the disc and drum brake systems through an electronic control of curves of operation of the brake bank, the present project will allow us to evaluate factors such as braking
pressure, braking force, temperature
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño e implementación
de un sistema de control y graficador de curvas de operación de un banco simulador del sistema de frenos de disco y tambor de un vehículo liviano.”,
que, para aspirar al título de Ingeniero Automotriz fue desarrollado por JULIO CÉSAR RÍOS CAMACHO, 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.
DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
Dedico este trabajo de titulación a Dios por darme fuerza y valor para ver culminado mi sueño de ser Ingeniero Automotriz, a mis padres que me apoyaron siempre para ver mi sueño hecho realidad, David Ríos e Nelly Camacho; que dedicaron parte de su vida y sus sacrificios para forjar mi vida profesional.
De manera especial dedico el presente proyecto a mi esposa Lizeth De La Vega por estar constantemente apoyándome para ver terminado esta etapa importante de mi vida le agradezco infinitamente por tener paciencia, creer en mí siempre. Dedico de manera especial este trabajo de titulación a mis hijos Ángel Ríos, Julián Ríos, ya que todo este esfuerzo y sacrifico va por ustedes y para ustedes son mi pilar fundamental y la fuerza que me dan día a día para seguir mejorando y esforzándome.
También dedico este trabajo a todas aquellas personas que con su aporte, a mi aprendizaje lograron formar en mí un profesional, y a mi familia por siempre estar pendientes de mis logros y fracasos apoyándome siempre en todo momento gracias a todos ellos y con la bendición de Dios ser un mejor profesional, padre, e hijo.
AGRADECIMIENTOS
Me siento agradecido con Dios por darme la vida, con la familia que tengo, por creer en mí y estar siempre pendiente del progreso en mi vida, por ello debo agradecer a mis padres que con su esfuerzo y apoyo lograron que yo culmine esta etapa importante en mi vida, por sus consejos y enseñarme que nunca se debe renunciar a los sueños mientras exista vida y ganas de querer lograrlo.
Un agradecimiento especial a mi esposa Lizeth De La Vega por estar ahí conmigo siempre apoyándome en todo momento por ser perseverante, por saber aconsejarme, y ver cumplido este objetivó de vida.
Mi más sincera gratitud a mis profesores, que supieron inculcar en mí el profesionalismo, pues con sus enseñanzas y su ejemplo han forjado en mí el profesional del mañana; agradecimientos a mi gran y querida universidad de la cual me llevo los más gratos recuerdos.
Agradezco de forma infinita a todas las personas que estuvieron a los largo de mi formación profesional universitaria y a Dios como principal actor de este sueño.
RÍOS CAMACHO JULIO CESAR
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ÍNDICE DE CONTENIDOS
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RESUMEN 1
ABSTRACT 2
1. INTRODUCCIÓN 3 2. METODOLOGÍA 16
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN……….……….. 18
3.1. SELECCIÓN DE SENSORES PARA EL BANCO DE FRENOS…... 18
3.2. UBICACIÓN DE LOS PUNTOS DE INSTALACIÓN DE LOS SENSORES Y LA CAJA DE CONTROL ELECTRONICO………... 22
3.3. INSTALACIÓN DE LOS SENSORES INFRARROJOS Y TERMOCUPLAS………... 24
3.4. INSTALACIÓN DE LOS SENSORES DE PRESIÓN………. ...225 3.5. INSTALACIÓN DE LA CELDA DE CARGA Y SENSOR DE PROXIMIDAD……… ………26
3.6. PROGRAMACIÓN EN ARDUINO DE LAS TARJETAS DE CONTROL……… …………..26
3.7. CONEXIÓN DE SENSORES Y TARJETAS DE CONTROL ARDUINO MEGA Y NANO……….……… ………..27
3.8. DISEÑO Y PROGRAMACION DE PANTALLAS DE CONTROL LAVBIEW……… ….………..30
3.9. PUESTA A PUNTO DE LOS SENSORES Y DEL SISTEMA ELECTRICO Y ELECTRONICO……….………… ……….34
3.10. RESULTADOS DE LAS PRUEBAS Y ANÁLISIS DE LAS CURVA OBTENIDAS……… ………...36
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES……….……… ………..38
4.1. CONCLUSIONES……… …………..38
4.2. RECOMENDACIONES……… ……….39
5. BIBLIOGRAFÍA……….……… ………40
ii
Í
NDICE DE FIGURAS
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Figura 1. Sensor ultrasónico HR-SR04……… ……….6
Figura 2. Sensor de velocidad infrarrojo CTRT5000……… ………7
Figura 3. Sensor de fuerza tipo celda de carga 50 Kg Pack……… …..….7
Figura 4. Rango de temperatura del sensor MLX90614……… ….…8
Figura 5. Sensor de temperatura infrarrojo MLX90614……… …...8
Figura 6. Termocupla tipo K de termocuplas………... ....9
Figura 7. Estructura del sensor de presión de líquido de frenos ……… 10
Figura 8. Funcionamiento del sensor de presión………... 11
Figura 9. Funcionamiento representación de variación de voltaje…....…….. 11
Figura 10. Arduino mega 2560……… 12
Figura 11. Arduino nano V3.0………....……. 13
Figura 12. Módulo celda de carga HX711……….…… 13
Figura 13. Módulo controlador MAX6675……….……. 14
Figura 14. HUB 3.0 de 5 puertos USB……….…….. 14
Figura 15. Fuerza de frenado vs presión en el circuito………..…….. 18
Figura 16. Manómetro medición presión líquido de frenos……….…… 19
Figura 17. Base del sensor de velocidad……….….. 20
Figura 18. Rueda del sensor de velocidad……….…... 20
Figura 19. Base del sensor de proximidad……….…... 21
Figura 20. Sensores de presión……….…. 21
Figura 21. Temperatura generada en circuito de frenos……….… 22
Figura 22. Sensor de presión instalación mordaza……….…. 24
Figura 23. Base del sensor infrarrojo delantero………... 25
Figura 24. Base del sensor infrarrojo posterior……….… 25
Figura 25. Base del pedal de frenos sensor de proximidad……….... 26
Figura 26. Conexión entre sensor arduino nano y celda de carga…………... 27
Figura 27. Conexión arduino mega y sensores presión y proximidad………... 28
Figura 28. Conexión entre tarjeta arduino nano y sensor de velocidad……… .29
Figura 29. Conexión sensor infrarrojo, termocuplas, arduino nano…………... 29
Figura 30. Pantalla de inicio del programa controlador………... 30
Figura 31. Pantalla de menú de pruebas banco frenos………... 31
Figura 32. Pantalla de prueba presión vs velocidad……….... 32
Figura 33. Pantalla de prueba presión vs fuerza de frenado……….. 33
Figura 34. Pantalla de prueba temperatura disco vs temperatura tambor….... 33
Figura 35. Pantalla distancia de pedal vs fuerza de pedal……….. 34
Figura 36. Prueba presión vs velocidad……….… 36
Figura 37. Prueba presión vs fuerza……….. 36
Figura 38. Prueba de temperatura del sistemas de frenos………. 37
iii
ÍNDICE DE TABLAS
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Tabla 1. Tipos de termocuplas……… …..…9
Tabla 2. Presiones circuitos del sistema de frenos……… …..18
Tabla 3. Herramientas utilizadas en el proyecto……… ...23
Tabla 4. Características sensor de presión líquido de frenos……… .43
Tabla 5. Características sensor de infrarrojo MLX90614……… 43
Tabla 6. Características Termocupla tipo K……….. 43
Tabla 7. Características celda carga 43
Tabla 8. Características sensor de velocidad CTRT5000………... 43
Tabla 9. Características sensor de proximidad HC-04……… 44
Tabla 10. Características tarjeta mega 2560………... 44
Tabla 11. Características tarjeta nano 328……….. 44
Tabla 12. Características módulo MAX6675………... 45
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ÍNDICE DE ANEXOS
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Anexo 1. Planos de acoples de los sensores……… ….42
Anexo 2. Características de las tarjetas de control y sensores utilizados en el banco de freno……… 43
Anexo 3. Conexiones entre sensores y tarjetas de control………... 46
Anexo 4. Conexiones de los circuitos en proteus del circuito Controlador……… .48
Anexo 5. Programación en arduino………. 50
Anexo 6. Programación en LabView …….……….. 52
Anexo 7. Manual de operación………. 61
Anexo 8. Manual de mantenimiento……...………. 62
Anexo 9. Hoja de practica………. 63
1
RESUMEN
El trabajo de titulación tuvo como finalidad el diseño e implementación de un sistema de control y graficador de curvas de operación de un banco simulador del sistema de frenos de disco y tambor de un vehículo liviano, que permitió monitorear los diferentes elementos del banco de frenos utilizando sensores, para ver su funcionamiento y comportamiento al momento de ser accionados utilizando un sistema electrónico, además de un programa donde se visualizará las curvas de trabajo y sus valores mediantes pantallas.
Como punto de partida el banco consta con un sistema electrónico instalado en el banco el cual permite controlar y monitorear el funcionamiento del banco de frenos con el fin de tener un mejor análisis y entendimiento de los elementos del sistema de frenos de un vehículo a través de sensores que permitirán el monitoreo de datos, serán presentados en una programa que tendrá los siguiente elementos: control del banco de frenos mediante el usuario, adquisición de señales por medio de sensores, y presentación de valores mediante un programa, el cual permito ver los resultados de las curvas de operación en tiempos menores a 1 segundo. El sistema de control y graficador de curvas realiza la adquisición de señales mediante la instalación de sensores de presión en las salidas de los sistemas de frenos de disco y tambor, sensor de velocidad, sensores de fuerza, sensores de proximidad, sensores infrarrojos, termocuplas, tarjetas arduino nano, arduino mega, para la visualización de los datos en la computadora, por medio de los sensores se logró obtener datos reales de presión máxima y mínima en los sistemas de frenos aproximadamente de entre 35 bar como presión mínima y como presión máxima de 130 bar.
El sistema de control y graficador de curvas de operación electrónico permitió al usuario visualizar el funcionamiento físico del banco a través de una pantalla donde se pudo visualizar: velocidad, presión, tiempo de reacción de los frenos en disco y tambor, temperatura de los sistema de frenos en disco y tambor a través del programa LabView, en forma de curvas de trabajado, lo que permitirá un mejor estudio además de visualizar sus valores, analizar qué sistema resulta eficiente en condiciones de simulación real, como nos dio en las pruebas realizadas que el sistema de frenos de disco resulta con una mejor eficiencia en todas las pruebas realizadas con un porcentaje de eficiencia de entre 5% y 6% en cada prueba sea esta de temperatura o presión en los sistemas de disco y tambor.
Con la implementación del programa se visualizó las curvas de operación en los dos sistemas de frenos de disco y tambor con una variación de presión del 2% al 5% en cada una de las pruebas realizadas y comparadas entre los dos sistemas.
2
ABSTRACT
The purpose of the titration work was to design and implement a control system and plotter of operating curves of a simulator bench of the disc brake system and drum of a light vehicle, which allowed to monitor the different elements of the brake bank using sensors, to see their operation and behavior at the moment of being operated using an electronic system, in addition to a program where the work curves and their values will be displayed.
As a starting point the bank consists of an electronic system installed in the bank which allows controlling and monitoring the operation of the brake bank in order to have a better analysis and understanding of the elements of the brake system of a vehicle through sensors that will allow the monitoring of data, will be presented in a program that will have the following elements: control of the brake bank by the user, acquisition of signals by means of sensors, and presentation of values through a program, which allows to see the results of the operating curves in times less than 1 second.
The control system and curve plotter performs signal acquisition by installing pressure sensors at the outputs of the disc and drum brake systems, speed sensor, force sensors, proximity sensors, infrared sensors, thermocouples, arduino nano cards, arduino mega, for the visualization of the data in the computer, by means of the sensors it was possible to obtain real data of maximum and minimum pressure in the systems of brakes approximately of between 35 bar like minimum pressure and as maximum pressure of 130 bar.
The control and graphing system of electronic operation curves allowed the user to visualize the physical operation of the bank through a screen where it could be visualized: speed, pressure, reaction time of the disc and drum brakes, system temperature disk and drum brakes through the LabView program, in the form of working curves, which will allow a better study in addition to visualizing its values, analyzing which system is efficient in real simulation conditions, as it gave us in the tests performed that the disc brake system results in better efficiency in all tests performed with a percentage of efficiency of between 5% and 6% in each test whether this temperature or pressure in the disc and drum systems.
With the implementation of the program the operating curves were visualized in the two disc and drum brake systems with a pressure variation of 2% to 5% in each of the tests performed and compared between the two systems.
3
1. INTRODUCCIÓN
La falta de un sistema de control y graficador de curvas de operación de un banco simulador del sistema de frenos de disco y tambor de un vehículo liviano debido a que no se puede analizar de forma correcta cada uno de los componentes y como estos pueden presentar cambios en cada uno de sus sistemas al momento de ser accionados.
Con la implementación de un sistema de control electrónico y graficador de curvas de trabajo en el banco del sistema de frenos de disco y tambor permitirá monitorear el funcionamiento de cada uno de los componentes, se podrá obtener información como datos de velocidad de los sistemas de disco y tambor, presión en los sistemas de frenos, temperatura generada por la acción de frenado en los sistema de disco y tambor representadas en curvas de operación que se generan en cada uno de los sistemas mediante sensores y poder comparar entre los dos sistemas. Diseñar e implementar un sistema de control y graficador de curvas de operación en un banco del sistema de frenos de disco y tambor de un vehículo liviano, ya que muy pocas instituciones del país cuentan con bancos que puedan ser monitoreados y controlados por medio de un sistema electrónico para ver y estudiar sus distintos elementos, mediante un programa el cual permite visualizar curvas de operación de trabajo del banco de frenos.
Diseñar y seleccionar los elementos para la implementación de los sistemas de monitoreo y control electrónico.
Seleccionar los diferentes sensores que nos permitirán el monitoreo del banco de frenos.
Instalar los diferentes sensores en los elementos mecánicos e hidráulicos del banco de frenos.
Construir es sistema electrónico que permita monitorear y presentar las curvas de trabajo que realiza el banco de frenos.
Programar los sistemas de control y monitoreo en las tarjetas y realizar la conexión entre sensores y controladores.
Realizar pruebas de funcionamiento de los diferentes sensores y tarjetas de control para su puesta a punto de todo el sistema electrónico.
Analizar resultados y elaborar guías de práctica, manuales de uso para manejo del programa.
4 pastillas de frenos hoy en día son de materiales cerámicos, carbono que remplazaron a los materiales convencionales como el asbesto que era utilizado en las zapatas además de poseen propiedades termodinámicas que le permite dispersar el calor fácilmente, y soportar mayores presiones y temperaturas de funcionamiento, los parámetros de funcionamiento que rigen al sistema de frenos son la presión que es ejercida en cada uno de los sistemas de disco y tambor que es transmitida por medio de la acción de transmitir una fuerza en el pedal de frenos la cual dirige un fluido por medio de cañerías que tramiten esa fuerza a una determinada área de trabajo como son los cilindros en los sistemas de tambor y al pistón en los sistemas de disco, mediante el servofreno que aprovecha el vacío del motor y genera una fuerza de vacío en cilindro maestro de frenos que permite frenar de manera instantánea y suave el pedal del freno, un aspecto muy importante del sistema de frenos es el fluido que se tiene en el sistema de frenos para esto utilizamos un fluido de frenos DOT que posee propiedades de ebullición muy altas, esto evitara que el líquido se evapore o cree burbujas de aire en el sistema de frenos, si la temperatura llega a superar la capacidad termodinámica de los elementos el cilindro maestro creara un vacío y la pérdida total de la presión en el sistema de frenos, la capacidad de reacción del sistema de freno va a depender si poseemos frenos de disco en las 4 ruedas o frenos mixtos, disco en la parte delantera y de zapatas en la parte posterior, en la actualidad contamos con sistemas de frenos asistidos con servomotores los cuales purgan de manera automática el sistema de frenos para evitar un mal funcionamiento, los sistemas de frenos cuenta con un sistema de autorreducción de presión, mediante el uso de una válvula que reduce la presión del fluido en los sistemas de frenos, esto evita que el vehículo bloque las ruedas y exista derrape de las ruedas posteriores, y pierda adherencia a la calzada, en un frenado brusco o de emergencia, la ergonomía o facilidad del pedal de frenos es un factor muy importante ya que hoy en día se necesita recorrer muy poca distancia del pedal para tener un efecto de frenado efectivo.
5 procederá a buscar los sistemas que nos permitirán el monitoreo y control electrónico, el diseño es un proceso donde se crea o innova sistemas, productos o servicios, con el fin de satisfacer las necesidades o mejorar la calidad de vida de los seres humanos, donde inicialmente se realiza un análisis previo al resultado real, mentalizado con creatividad con lo que se requiere llegar a desarrollar y tener una solución, este puede ser creado mediante esbozos, bocetos o dibujos; en este caso implementar un correcto diseño que es puesto en práctica para un sistema electrónico mediante un plan propuesto observando las alternativas que favorezca al proyecto deseado (International Council of Societies of Industrial Design, 2005). Este diseño se aplicó en un sistema electrónico que se encarga de convertir y transportar energía, este consta de redes que se componen de tres partes principales: las líneas de transmisión, las redes de distribución y las centrales generadoras las mismas que son encargadas de dar la señal por medio de un componente que se acciona ya sea por un pulsador, interruptor o por medio de sensores finales de carrera, células fotoeléctricas y boyas, los eslabones de conexión entre las centrales y las redes de distribución son las líneas de transmisión, estas conducen a otras redes de potencia por medio de interconexiones (Stevenson, s/f), los tres se encargan de controlar automáticamente el trabajo para su función, todos los sistemas eléctricos necesitan de una alimentación de energía, esta proviene de un acumulador de energía o también llamado generador, en el presente proyecto las baterías del vehículo son las que generan dicha energía, en el caso de las motocicletas las baterías solo son de alimentación, no tienen un dispositivo como en los vehículos que le permita recargar como el motor de arranque (Villafuerte, 2014).
Para el presente proyecto se estudiará y desarrollarán dos tipos de señales que son las siguientes: Señales analógicas: este tipo de señal contiene infinitos valores posibles dentro de un determinado rango es decir valores continuos, la mayor parte de las magnitudes físicas como luz, temperatura, sonido, voltaje, potencia, intensidad son de tipo analógicas porque pueden sufrir variaciones continuas sin saltos muchas veces esto puede darse debido a la instalación de los sensores que pueden variar debido al ruido que obtienen como el sonido produce frecuencias estas pueden alterar los valores de medición en los sensores y a su vez dar frecuencias altas o valores que no corresponde a la medición de voltaje esto puede ser corregido mediante el uso de aislantes para el uso de los sensores y evitar daños en circuito (Artero, 2013).
6 de una gran variedad de factores, el ruido altera o modifica la información que aporta una señal y afecta al correcto rendimiento y funcionamiento de los dispositivos electrónicos, el uso de estas señales facilita la recuperación de la información original. (Miyara, 2004).
Sensores: para la construcción del presente proyecto se parte de la creación de los sensores que con el transcurso de tiempo han sido una herramienta muy importante dentro del campo automotor, un sensor integra muchas funciones automáticas de identificación, calibración, comprobación, entre otros, esto genera una señal digital, linealizada, calibrada, fuerte y compatible con otros dispositivos, su función es aumentar la eficiencia, calidad y rapidez de los procesos industriales, con ello se puede conocer los parámetros más óptimos para realizar una programación con un buen funcionamiento del sistema aprovechando todas sus características y ventajas al usar un sensor, cabe decir que los sensores automotrices poseen una programación muy especial la cual no puede ser fácilmente descifrada y poseen códigos únicos de funcionamiento (Custodio, 1999).
El sistema control y monitoreo del funcionamiento del banco de frenos se utilizó los diferentes tipos de sensores: En la figura 1, se observa un sensor de proximidad de ultrasonido; que tiene como función principal la detección de objetos a través de la emisión y reflexión de ondas acústicas, funcionan emitiendo un pulso ultrasónico contra el objeto a sensar, y al detectar el pulso reflejado, se para un contador de tiempo que inicio su conteo al emitir el pulso, este tiempo es referido a distancia y de acuerdo con los parámetros elegidos de respuesta con ello manda una señal eléctrica digital o analógica.
Figura 1. Sensor ultrasónico HR-SR04
7 utilizando líneas de color blanco y negro para su ejecución, mediante un indicador de perno fijo para una instalación fácil, utilizamos el módulo de seguimiento y una interfaz digital, haciendo luces de trazado de la señal de salida cuando el trazado del sensor detecta una señal dominante o blanca, las luces LED encienden y dan como señal el número de vueltas de cuantas veces el foco led del sensor se encienda.
Figura 2. Sensor de velocidad infrarrojo CTRT5000
Sensor de fuerza tipo celda carga puede medir pesos de 110 libras o 55Kg, una celda de carga es un sensor que se utiliza para convertir una fuerza en una señal eléctrica, así que el peso de un objeto corresponde a un determinado voltaje, la configuración eléctrica del sensor se observa en la figura 3.
Figura 3. Sensor de fuerza tipo celda de carga50 Kg Pack
8 la electrónica necesaria para amplificar y digitalizar la señal y calcular la temperatura, el conjunto incluye un amplificador de bajo ruido, un conversor ADC de 17 bits, un DSP (procesador digital de señal) y compensación de la temperatura ambiente, basados en las temperaturas de funcionamiento del banco de frenos y los rangos de medición de temperatura del sensor que se pueden ver en la figura 4. (Control Instrument, 2016).
Figura 4. Rango de temperatura del sensor MLX90614
En la figura 5, se observa el sensor MLX90614, viene calibrado de fábrica en un amplio rango de temperaturas: -40°C a 85°C para la temperatura ambiente y -70°C a 382°C para la temperatura de objetos, la precisión estándar es de 0.5 °C referente a la temperatura ambiente, aunque existen versiones médicas que ofrecen una resolución de 0.1ºC en temperaturas entre 35°C - 38ºC.
9 En la tabla 1, se observan los rangos de temperatura de la termocupla tipo k, que son comúnmente utilizados en la industria electrónica, una termocupla se hace con dos alambres de distinto material unidos en un extremo, al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño del orden de los mV el cual aumenta con la temperatura por ejemplo, una termocupla "tipo J" está hecha con un alambre de hierro y otro de constatan al colocar la unión de estos metales a 750°C, debe aparecer en los extremos 42.2mV, la termocupla K se usa típicamente en fundición y hornos a temperaturas menores de 1300°C, por ejemplo fundición de cobre y hornos de tratamientos térmicos, normalmente las termocuplas industriales se consiguen encapsuladas dentro de un tubo de acero inoxidable u otro material, en un extremo está la unión y en el otro el terminal eléctrico de los cables, protegido adentro de una caja redonda de aluminio, existen una infinidad de tipos de termocuplas,ver en la tabla 1, aparecen algunas de las más comunes, pero casi el 90% de las termocuplas utilizadas son del tipo J o del tipo K.(Control Instrument, 2016).
Tabla1. Tipo de termocuplas (Arian Control y instrumentación)
Tc Cable +
Aleacion
Cable –
Aleacion °C
Rango (Min, Max) mV J Hierro Cobre/Nickel (-180, 750) 42.2
K Nickel/Cromo Nickel/Aluminio (-180, 1372) 54.8
T Cobre Cobre/Nichel (-250, 400) 20.8
R 87% Platino
13% Rhodio 100% Platino (0, 1767) 21.09
S 90% Platino
10% Rhodio 100% Platino (0, 1767) 18.68
B 70% Platino
30% Rhodio
94% Platino
4% Rhodio (0, 1820) 13.814
Las termocuplas K son fabricadas con cromo - aluminio y aluminio – nickel ambos de color plateado brillante pero el aluminio es levemente magnético por su contenido de nickel en la figura 6, se observa cómo es su configuración electrónica y su apariencia física.
10 Sensor de presión: Este sensor de alta presión mide la presión del líquido de freno en el grupo hidráulico de sistemas de seguridad de marcha; la presión es en general de 25 MPa (250 bares), los valores de presión máximos Pmáx pueden subir hasta 35 MPa 350 bares, la medición y la vigilancia de la presión son activadas por la unidad de control, que efectúa asimismo la evaluación a partir de una señal retrocesiva.
En la figura 7, se observa la estructura y forma física; el elemento principal del sensor lo constituye una membrana de acero, sobre la que están metalizados por evaporación unos elementos piezorresistivos formando un circuito en puente, el campo de medición del sensor depende del espesor de la membrana, tan pronto como la presión a medir atraviesa el racor y actúa sobre un lado de la membrana, el valor de resistencia de los elementos piezorresistivos varía a causa de la deformación de la membrana 20µm a 180 bar.
Figura 7. Estructura del sensor de presión de líquido de frenos
11 pieza principal del sensor es un elemento piezoeléctrico (a), que puede observar en la figura 9, sobre el cual puede efectuar la presión del líquido de frenos, el sensor incluye también la electrónica de evaluación (b), en la figura 8, se observa el cambio de voltaje en función de la presión ejercida que va de los 0V a los 5V (Control Instrument, 2016).
Figura 8. Funcionamiento del sensor de presión
Al actuar la presión del líquido de frenos sobre el elemento piezoeléctrico varía el reparto de las cargas en el elemento tal como se muestra en la figura 9, sin la actuación de la presión en el sensor piezoeléctrico las cargas tienen un reparto uniforme (1), al actuar una presión, las cargas se desplazan espacialmente (2), produciéndose una tensión eléctrica.
12 Arduino Mega es un tablero de micro controladores basado en el ATmega1280, Cuenta con 54 pines digitales de entrada / salida, 16 entradas analógicas, 4 UART, un oscilador de cristal de 16 MHz , una conexión USB, un conector de alimentación, una cabecera ICSP, Y un botón de reinicio, contiene todo lo necesario para soportar el micro controlador; simplemente conéctelo a un ordenador con un cable USB o conéctelo con un adaptador de CA a CC o batería para empezar, el mega es compatible con la mayoría de los escudos diseñados para el arduino, arduino mega puede ser alimentado a través de la conexión USB o con una fuente de alimentación externa, la fuente de alimentación se selecciona automáticamente, la alimentación externa puede venir desde un adaptador AC-DC o una batería, el adaptador puede conectarse enchufando un conector positivo de centro de 2.1mm en el conector de alimentación de la tarjeta las derivaciones de una batería se pueden insertar en los conectores de clavijas Gnd y Vin del conector POWER, la placa puede funcionar con un suministro externo de 6V a 20V, si se suministra con menos de 7V, sin embargo, el pin 5V puede suministrar menos de cinco voltios y la placa puede ser inestable si utiliza más de 12V, el regulador de tensión puede sobrecalentarse y dañar la placa, el rango recomendado es de 7V a 12V, los pines de alimentación en la figura 10 se observa la tarjeta arduino mega 2560(Control Instrument, 2016). VIN: El voltaje de entrada a la tarjeta Arduino cuando se utiliza una fuente de alimentación externa, y usted puede suministrar voltaje a través de este pin, o, si el suministro de voltaje a través de la toma de alimentación, el acceso a través de este pin. 5V: La fuente de alimentación regulada utilizada para alimentar el micro controlador y otros componentes de la placa esto puede venir de VIN a través de un regulador de a bordo, o ser suministrado por USB u otro suministro. 3V3: Una fuente de 3.3V generada por el chip FTDI a bordo, el consumo máximo de corriente es de 50mA. GND: Pasadores de tierra.
13 Arduino nano: El Arduino Nano es un tablero pequeño, completo y basado en el ATmega328, tiene la misma funcionalidad del arduino duemilanove, pero en un paquete diferente, carece de una toma de corriente DC, y funciona con un cable USB Mini-B en lugar de uno estándar para su funcionamiento.
Figura 11. Arduino nano V3.0
Módulo controlador de celda de carga HX711: Es un transductor capaz de convertir una fuerza en una señal eléctrica, mediante galgas internas que posee, configuradas en un puente wheatstone, este módulo es una interface entre las celdas de carga y el micro controlador, permitiendo poder leer el peso de manera sencilla, internamente se encarga de la lectura del puente wheatstone formado por la celda de carga, convirtiendo la lectura analógica a digital con su conversor A/D interno de 24 bits, es muy utilizado en procesos industriales, sistemas de medición automatizada e industria médica, se comunica con el micro controlador mediante 2 pines de forma serial, o primero que se debe de hacer es calibrar, que es básicamente hallar el valor de la escala que se usará; es decir hallar el factor de conversión para convertir valor de lectura en un valor con unidades de peso, la escala es diferente para cada celda y cambia de acuerdo a la forma de instalar, al peso máximo o modelo de celda de carga, incluso así se trate del mismo modelo de celdas no necesariamente tienen el mismo valor de escala, primero se necesita conseguir un objeto con peso conocido, en otras palabras debemos saber el peso real del objeto, se recomienda que el peso conocido sea cercano al valor máximo del rango de trabajo de la celda de carga, en nuestro caso usaremos un peso de 40Kg pues nuestra celda es de 50Kg. (Control Instrument, 2016).
Figura 12. Módulo celda de carga HX711
14 instalarla, sus principales características son: C.I MAX6675, voltaje de funcionamiento de 3.3~5V con un rango de medición de 0~800°C, la señal de temperatura puede ser convertida en 12 bits digitales, con una resolución de la temperatura de 0.25°C, y comunicación tipo SPI en la figura 13, se observa los pines de conexión.
Figura 13. Módulo controlador MAX6675
En la figura 14, los puertos USB 3.0 proporcionan velocidades de transferencia de hasta 5Gbps, 10 veces superior a los USB 2.0, no requiere drivers para Windows 8.1/8/7/Vista/XP o Mac OS X y Sistemas Linux, compatible con los USB anteriores 2.0/1.1 y la velocidad de transmisión actual está limitada por la configuración del dispositivo conectado.
Figura 14. HUB 3.0 de 5 puertos USB
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2. METODOLOGÍA
Para el desarrollo e implementación del tablero controlador y graficador del banco de frenos, se requirió de algunos métodos de investigación, para una mejor compresión y visualización de los elementos del sistema de frenos de un vehículo por medio de un sistema electrónico se utilizó el método experimental para saber sobre el funcionamiento del sistema de frenos de disco y tambor, las pruebas que se realizó primero fueron la fuerza de frenado en el pedal de frenos, la presión final en cada uno de los sistemas de disco y tambor, la velocidad de salida del eje delantero del banco simulador del sistema frenos, y las temperaturas que se pueden generar en cada uno de los sistemas para la selección de sensores y módulos controladores.
En la implementación del tablero electrónico se deben tomar en cuenta aspectos como instalación de sensores, adaptación de espacios para cableado, estética, tablero de control, ergonomía de las personas en el tablero de control, funcionalidad, para esto se realizó pruebas de medición de presión en los sistemas de disco y tambor, temperaturas máximas que pueden alcanzar los sistemas, velocidad máxima del banco de frenos.
Se procedió a la adaptación de los sensores de medición de velocidad, presión, fuerza, proximidad y temperatura en cada uno de los elementos a medir como son la velocidad de salida del eje delantero de trasmisión, pedal de freno, tambor y disco, después se conectó los sensores con los cables automotrices cada uno con su determinada distancia hacia la caja de circuitos con sus respectivas conexiones una vez comprobada su señal, alimentación y masa cada una con su respectivo color de cable, para evitar confusiones al momento de ser conectados hacia las tarjetas de control, además de retiro las protecciones de las caja para el ingreso de los cables de datos.
Se conectó a cada una de las tarjetas los respectivos sensores, se realizó la sujeción de la tarjeta arduino con la caja de protección y esta a su vez a la caja de revisión eléctrica que se sujetó a la estructura del banco, se conectó los diferentes pines que representan a cada uno de los sensores a los cuales está controlando, a continuación se realizó perforaciones para la instalación de tarjetas de control, se procedió a la medición de cada uno de los cables de ingreso de los sensores donde fueron ubicadas y se realizó las perforaciones, se colocó los pernos en cada una de las tarjetas, se agregó silicona de protección a las tarjetas para evitar cortocircuitos y crear un aislamiento entre caja y cables, una vez realizado la caja de circuitos.
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3
.RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1. SELECCIÓN DE SENSORES PARA EL BANCO DE FRENOS
La selección de los sensores de presión se la realizó mediante la presión que poseen los sistemas de frenos de los vehículos livianos basados en la figura 15.
Figura 15. Fuerza de frenado vs presión en el circuito (Inacap & Talca, 2015)
Se tomó valores de referencia de presiones de la tabla 2, los valores con servo freno y sin servofreno para la selección de los sensores presión.
Tabla 2. Presiones en circuito de trabajo del sistema de frenos
Fuerza sobre el pedal (kg) Presión en el circuito con servo (bar)
Presión en el circuito sin servo (bar)
10 30 13
20 65 24
30 104 34
40 118 44
50 130 53
60 140 63
70 150 75
80 160 86
90 170 100
100 180 113
19 en las tabla 2, para obtener datos confiable se procedió a una prueba de medición de presión en los sistema de disco y tambor de un vehículo liviano (aveo familia), la prueba que se realizó determino la presión real en los sistemas de frenos de disco y tambor.
Se inspecciono los sistema, que no existan fugas de líquido de frenos, endurecimiento del sistema de frenos, deformaciones de las palancas de accionamiento, seguidamente se comprobó su funcionamiento accionando repetidas veces el pedal del freno, el control de la presión de corte se realizó disponiendo de un manómetro, ver en la figura 16, en el cilindro receptor de las ruedas traseras, retirando previamente la válvula de purgado, en cuyo orificio se acoplo el manómetro y se purga a continuación por el tornillo (P), en estas condiciones, se acciono totalmente el pedal del freno, se observó la subida de presión en el manómetro, que tuvo un límite, donde la presión ya no subió más aunque siga aumentándose el esfuerzo sobre el pedal, cabe resaltar que la medición que se realizó, es con el vehículo totalmente detenido y esta presión es una medición base, con estos datos se escogió el sensor de presión.
Figura 16. Manómetro medición presión líquido de frenos (Dirección & Frenado, 2005)
Mediante esta observación de los sensores de presión los cuales tiene un rango de presión de 0 a 180 bar con una alimentación de 5V, y tres pines de conexión, que son alimentación, señal y masa, para ver el resto de características de los sensores de presión ver anexo 2, tabla 1.
20 anexo 2 tabla 7, y las medidas de la base del sensor revisar anexo 1, plano acoplé de sujeción del sensor de velocidad.
Figura 17. Base del sensor de velocidad
El sensor de velocidad es de tipo infrarrojo para lo cual se instaló en el eje delantero una rueda de color negro plástica para hacer el conteo de revoluciones y calcular la velocidad angular del banco de frenos, en la figura 18, se observa la forma de la rueda para mayor información revisar planos anexo1.
Figura 18. Rueda del sensor de velocidad
El sensor de fuerza del pedal se seleccionó utilizando la tabla 2, donde se visualizó una fuerza máxima de aplicación de 100kg sobre el pedal de freno en condiciones de máxima velocidad del vehículo, de las cuales se seleccionó una celda de carga de 50kg, esto fue debido a su precio a la fácil manera de instalación y programación con el resto de sensores, para ver sus valores técnicos revisar en anexo 2, en la tabla 7.
21 sensor de proximidad se instaló en el piso del tablero controlador por debajo del pedal freno para obtener las medidas de distancia y recorrido del pedal se construyó una base de madera donde fue colocado e instalado como se puede observar en la figura 19, para mayor información revisar anexo 1, plano base del sensor de proximidad.
Figura 19. Base del sensor de proximidad.
Los sensores de temperatura infrarrojos y termocuplas se seleccionó mediante el uso de la figura 20, las temperaturas de punto de ebullición del líquido de frenos DOT donde se muestra los valores que puede alcanzar el líquido de frenos antes de provocar la falla en sus sistemas, debido a la trasferencia de calor que se puede generar en los elementos de los sistemas de frenos de disco y tambor hacia el líquido de freno que se encuentra en los elementos de impulsión como son los pistones en las mordazas y los cilindro en las zapatas.
22 Las termocuplas tipo k fueron seleccionadas por su forma física, protección y alta resistencia a los cambios de temperatura al contacto directo con los elementos del sistema de frenos que están sometidos a fricción por medio de las pastillas de frenos y zapatas, donde los elementos alcanzan temperaturas máximas de entre 300°C y 500°C, para los elemento como disco y tambor se adquirió sensores infrarrojos de temperatura que soportan una temperatura mínima de 0°C hasta una temperatura máxima de 180°C, los sensores infrarrojos fueron seleccionados por su alta calidad de medición de valores de temperaturas como se puede observar en la tabla 5 anexo 2, debido a que estos elementos se encuentran en la parte exterior del banco de frenos se encuentran ventilados solo necesitan un sensor que capte la mínima variación de temperatura en este caso son los sensores infrarrojo que van con temperaturas de -15°C hasta una temperatura de 350°C con una lectura de error de 0.05% de error en cada medición.
3.2. UBICACIÓN DE LOS PUNTOS DE INSTALACIÓN DE LOS
SENSORES Y LA CAJA DE CONTROL ELECTRÓNICO
Los sensores fueron ubicados debido a la función que estos van a realizar en el caso de los sensores de presión estos fueron instalados en la parte posterior del plato de los frenos de tambor y en la parte de la mordaza en frenos de disco, fueron adaptados por medio de un cilindro que estaba conectado a la salida de las purgas de los sistemas de disco y tambor y este a su vez enroscado con el sensor en su parte lateral, con su respectiva purga como se puede ver en la figura 21, se instalaron los sensores de presión en estos puntos porque a las salidas de las purgas de obtiene la presión real final de los sistemas.
Figura 21. Sensores de presión
23 presión final que se ejerció en los dos sistemas de frenos, además de llegar a determinar el tiempo de reacción al momento de ser accionado hasta su total detenimiento de los sistemas de frenos, los sensores infrarrojos se ubican fuera de los sistemas en movimiento como son los disco y los tambores se los instaló en la estructura en tubo principal que está ubicado alrededor de los sistemas de frenos y transmisión se los instalo ahí para evitar daños a los sensores y a su fácil instalación y cableado de los mismos, para una correcta lectura de temperatura fueron ubicados a 2cm de exterior del tambor y el otro sensor a 2 cm del exterior del disco por la parte posterior, cabe decir que los punto de instalación están ubicados al lado derecho del banco de frenos para acortar distancia de los cables de conexión y así evitar que estos se arranquen o enreden en los elementos de transmisión del banco de frenos, las termocuplas tipo k fueron instaladas en los elementos que presentan transferencia de calor directa como son las pastillas de frenos y las zapatas, la termocupla tipo k fue instalada en la pastilla de frenos realizando una perforación de 5mm para poder enroscar la punta de la termocupla en la pastilla, debido a que poseen su propio cable que tiene un recubrimiento metálico y puede soportar mayores daños y cambios de temperatura que se dan de forma directa, la otra termocupla se la instaló en la parte posterior del plato de frenos haciendo una perforación para roscar la termocupla, la perforación se la realizo de tal modo que la punta de lectura de la termocupla quede a 5mm de la zapata para una lectura real de temperatura, el cableado de los sensores fue instalado una vez se conectaron todos los sensores, debido a que los sensores poseen pines de conexión muy pequeños se procedió a poner cable de protoboard de 10cm para poder ser conectados y soldados a los cables automotrices número 18 este procedimiento se lo realizó con todo los sensores se escogió el cable automotriz número 18 debido a que la caída de tensión nula es distancia cortas, en nuestro caso la mayor longitud que tiene el cableado es de 4 metros para los sensores infrarrojos, y para que exista una caída de tensión se necesita una distancia mayor a 20m, y que los valores de voltaje sean menores a 1V, o con un consumo menor a 1Amp, para la instalación se empalmarón todos los cables protoboard con los cables automotrices se soldaron con cautín, después fueron recubiertos con termocontraible para evitar fugas de tensión y cortocircuitos, cabe mencionar que los cables automotrices tienen un recubrimiento interno que mejora la conductividad de la corriente y evita sobrecalentamiento, todos los sensores fueron instalados con diferentes colores de cables para su fácil instalación las herramientas que se utilizaron en el proyecto se pueden observar en la tabla 3.
Tabla 3. Herramientas utilizadas en proyecto
Herramientas Aplicación
Cautín Construcción
Pinzas Construcción
Dremel 3000 Construcción
Taladro Construcción
Caladora Construcción
24
Brocas de acero de 10, 12, 14 (mm) Construcción
Multímetro automotriz Construcción
Llaves Allen Construcción
Destornilladores estrella y plano Construcción
Llaves tipo Torx Construcción
3.3. INSTALACIÓN DE LOS SENSORES INFRARROJOS Y
TERMOCUPLAS
La instalación e implementación del tablero de control se procedió a adaptar los diferentes sensores, en la parte de los frenos de disco, se instaló una base de madera que nos permitirá instalar el sensor de temperatura infrarrojo el cual apuntara directamente hacia el disco se realizó un perforación en la base de madera para fijar la base al montante del disco de frenos, para que el sensor tenga un mayor rango de lectura el sensor debe tener una distancia de 2cm desde el lector infrarrojo hacia el disco de frenos la base de madera posee la siguiente forma cómo se puede observar en la figura 22.
Figura 22. Base del sensor infrarrojo delantero
25
Figura 23. Base del sensor infrarrojo posterior
La termocupla tipo k estará instalada en la parte posterior del freno de tambor, se realizará una perforación en el plato a la altura de las zapatas, la termocupla deberá estar situada a 5mm de la zapata para obtener una lectura correcta de la temperatura de la zapata.
3.4. INSTALACIÓN DE LOS SENSORES DE PRESIÓN
Los sensores de presión, tendrán una adaptación que se encontrara en la salida de la purga, para esta adaptación del sensor de presión se realizó un maquinado en una pieza de cobre la cual tendrá una parte roscada interna a la cual estará instalada el sensor de presión, y la otra parte tendrá rosca con salida para ir roscada hacia la salida de la purga, además constara con una parte de roscado lateral para la instalación de la purga de líquido de frenos, esta base estará instalada en la parte posterior en la salida de la purga de líquido de frenos en el cilindro de las zapatas, y la otra base estará situada en la salida de la mordaza de líquido de frenos en la parte de purgado.
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3.5. INSTALACIÓN DE LA CELDA DE CARGA Y SENSOR DE
PROXIMIDAD
La celda de carga se la instalará en el pedal de frenos del banco, la ubicación de este sensor toma la fuerza recibida del ocupante al momento de ser aplicada, el sensor de proximidad estará ubicada en el piso del banco de frenos el cual tendrá una base de madera, además el sensor tendrá una base de madera para protección del mismo, para revisar con mayor detenimiento el acople revisar en anexo 1, plano de acople de sensor de distancia sujeción freno.
Figura 25. Base del pedal de frenos sensor de proximidad
3.6. PROGRAMACIÓN EN ARDUINO DE LAS TARJETAS DE
CONTROL
27 la librería de UTFT es decir cuando se llama a la librería se anexa automáticamente la de comunicación SPI, la programación principal para probar cada una de las lecturas que nos dan los sensores se la realizo median el programa arduino entre las conexiones de la tarjeta arduino mega los sensores de presión delanteros y posteriores y sensor de proximidad, el sensor de fuerza estará conectado a su propio módulo hx711, y este a su vez a la tarjeta arduino nano, los sensores de celda de carga y proximidad estarán conectados directamente en una interface entre módulos controladores, arduino nano y a su vez con la tarjeta arduino mega, una vez logrado la conexión de todos los sensores se procedió a la soldadura de cada uno de los cables número 18, con sus respectivos pines de conexión y ser recubiertos por el termo contraíble para evitar fugas o perdidas de tensión y así obtener malas lecturas de los sensores una vez soldados se procedió a la organización por medio de canaletas para los cables que se encontraban fuera del tablero y tubo espiral organizador a los cables interiores.
3.7. CONEXIÓN DE SENSORES Y TARJETAS DE CONTROL
ARDUINO MEGA Y NANO
La primera instalación que se realizó fue el sensor de celda de carga el cual se encuentra conectado al módulo HX711 por medio de un puente de wheatstone y a su vez a la tarjeta de control arduino nano AT328 se conectan los pines de conexión, señal, masa y alimentación tal como se muestra en la figura 26, para ver las características de la tarjeta de tarjeta arduino nano AT328 revisar en anexo 2, en la tabla 7.
Figura 26. Conexión entre sensor arduino nano y celda de carga
La siguiente conexión que se realizó fue los sensores de presión delantero y posterior, estos fueron instalados en la tarjeta arduino mega debido a su rango de alimentación constante de 5V, con una variación de 0V a 5V como medida máxima, estos sensores poseen tres pines de conexión como son alimentación, señal y
ARDUINO NANO MÓDULO HX711
28 masa, otro de los sensores instalados fue el sensor de proximidad que fue instalado en la parte posterior del pedal de freno, su instalación fue muy meticulosa y tomando en cuenta el rango de amplitud de lectura que va desde los 10cm hasta un mínimo de 2cm de rango de lectura dando como resultado el detenimiento de los sistemas de disco y tambor que tiene un enlace con el sensor de velocidad infrarrojo.
Figura 27. Conexión entre tarjeta arduino mega y sensores de presión y proximidad
El sensor de velocidad que se instaló se lo realizó después de todos los sensores debido a que es el enlace entre los sensores de proximidad y celda de carga fue conectado a una de las tarjetas arduino nano posee tres pines de conexión que son alimentación, señal, masa la arduino mega 2560 está alimentada por medio
SENSOR DE PROXIMIDAD
ARDUINO MEGA 2560
SENSOR DE PRESIÓN
Instrum ent, 2016).N SENSOR DE
PRESIÓN
29 del computador, necesita 2A de alimentación para su correcto funcionamiento los sensores de presión deben estar debidamente conectados por sus pines de alimentación y señal y purgado en los sistemas de frenos del banco para evitar lecturas erróneas al realizar las pruebas de funcionamiento y puesta a punto.
Figura 28. Conexión entre tarjeta arduino nano y sensor de velocidad
Los sensores infrarrojos poseen una tarjeta arduino nano individual compartida entre las termocuplas tipo k y un sensor infrarrojo esto se lo realizo debido a que estos dos sensores tienen relación entre si y su conexión física se encuentra muy ligada además que sus lecturas se realizan entre tambor y zapatas y en su parte delantera entre disco y pastillas de frenos.
Figura 29. Conexión entre sensor infrarrojo y termocuplas y tarjeta arduino nano
SENSOR DE VELOCIDAD
ARDUINO NANO
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3.8. DISEÑO Y PROGRAMACION DE PANTALLAS DE CONTROL
EN LAVBIEW
Se procedió al diseño y programación de la pantalla principal la cual estará conformada por el nombre de la universidad, nombre del proyecto de grado logotipo de la universidad y se programa el botos de inicio que dará para paso a las siguientes pantallas además de poseer un botón de stop del programa todo esto se lo realizará mediante es uso grafico del botón panel close, y del grafico discard el botón de consecución de pantallas this VI el cual dará la secuencia de pantallas y creara el enlace entre la pantalla principal y la pantalla de selección de pruebas del menú de pantallas, la cual se observa en la parte inferior en la figura 30.
Figura 30. Pantalla de inicio del programa controlador
31 con un numero de 4 pruebas a realizar, el botos de selección de interfaces creara el vínculo con cada uno de las tarjetas y sensores para las diferentes pruebas, en cada prueba se encuentra relacionados en una interface dos sensores esto se realiza así de esta manera debido al procesamiento de información que se obtiene de los sensores, estos botones de selección solo crean en enlace de los sensores que se encuentran en ese momentos activados en la prueba seleccionada, es muy importante que se lo realice de esta forma debido a su alimentación y la velocidad de trasmisión de datos que se obtiene por medio de esta interface de control, ver figura 31 el tipo de pruebas.
Figura 31. Pantalla de menú de pruebas banco frenos
32 grafico arduino init para la conexión mediante el puerto usb, después se utilizó un enlace con el botón gráfico arduino read para dar lectura a los dos sensores de presión que se encuentran las ruedas delanteras y posteriores este enlace se crea mediante el botón grafico arduino read, se realizará la conexión utilizando el botón gráfico gauge y gauge2 para determinar las lecturas individuales de cada sensor de presión se instala un botón grafico de medición y presentación de presión el cual estará enlazado al botón write to measurement para la presentación en tiempo real de los valores, para el sensor de velocidad se utilizó un botón gráfico visa serial, visa uno, y visa cero para realizar la comparación con la primera pantalla utilizaremos un byte count y este realizo la interface con un botón gráfico visa abc, el cual estará conectado a un botón gráfico de presentación de señales en forma de curva, un botón gráfico de presentación de datos tipo tacómetro y el botón de selección de puertos que será la interface final entre el programa y las tarjeta y sensores, cada pantalla que se realizan las pruebas debe estar debidamente instalado el botón de stop esto evitará que la prueba siga ejecutándose después de haber realizado la prueba además evitará que las pantallas colapsen o el programa se sature para esto se utilizó un botón visa c para detener cada prueba, además de un botón byte count que nos dará la velocidad de presentación de las curvas de funcionamiento y botón gráfico de control de km/h, como se visualiza en la figura 32.
Figura 32. Pantalla de prueba presión vs velocidad
33 writer para la presentacion de los valores de forma numérica, todos estos elementos se pueden ver en la figura 33.
Figura 33. Pantalla de prueba presión vs fuerza de frenado
En la figura 34, se observa la pantalla de temperatura de discos vs temperatura de tambor utlizaremos botones grafico programables como termometros, visa abc, byte count para la presentacion de los valores mediantes curvas y botones stop para deter las pruebas indivudualemnte, y serial writer para la presentacion de los valores de forma numerica.
Figura 34. Pantalla de prueba temperatura de disco vs temperatura de tambor
34 arduino nano, arduino int, arduino ultra, boton grafico tipo barra, sensor tipo tacometro , y byte count para la velocidad de datos.
Figura 35. Pantalla distancia de pedal vs fuerza de pedal
3.9. PUESTA A PUNTO DE LOS SENSORES Y DEL SISTEMA
ELECTRICO Y ELECTRONICO
36
3.10. RESULTADOS DE LAS PRUEBAS Y ANÁLISIS DE LAS
CURVAS OBTENIDAS
Las pruebas que se realizó en el bando de frenos son las siguientes que se puede apreciar en las figura 36, presión vs velocidad, cabe decir que se realizó un número determinado de pruebas para ver el funcionamiento de los sensores y del programa, cabe dec
ir que las pruebas dio como resultado que a mayor velocidad se produce mayor presión en los sistemas de frenos con un ligero aumento en los frenos de disco, con una velocidad de 80 km/h se necesita aplicar una presión de 130 bar, mientras que el sistema de tambor solo se necesita una presión de 110 bar, cabe decir que los sistemas de frenos ya tiene una presión inicial de 30 bar en el sistema sin ser accionados.
Figura 36. Prueba presión vs velocidad
La siguiente prueba que se realizó fue presión vs fuerza del pedal, donde se observa que la fuerza ejercida sobre el pedal del freno será la presión que exista en los sistema de frenos de disco y tambor como se ve en la figura 37, donde con una fuerza ejercida de 20 kg se logra una presión máxima de 130 bar en el sistema de disco y 110 bar en el sistema de tambor.
Figura 37. Prueba presión vs fuerza
37 disco de 82°C y tambores de 91°C, esto se debe a que los frenos de disco se encuentran en un sistema ventilado al contrario que los tambores que están completamente cerrados, la variación de temperatura entre elementos del mismo sistema también sufren de una variación de temperatura, analizando los frenos de disco se puede ver que la temperatura del disco en el mismo tiempo de funcionamiento puede llegar a los 82°C, mientras que la pastilla de frenos posee una temperatura de 79°C, el sistema de frenos tambor experimenta un cambio de temperatura en sus elementos de 91°C en las zapatas mientras que en el tambor de experimenta una temperatura menor de 88°C, esto se debe a que las zapatas son las que realizan el contacto directo con la pared del tambor, mientras que los sistema de tambor se encuentran ventilados por la parte externa, y se produce una evacua de temperatura de forma rápida.
Figura 38. Prueba de temperatura de sistemas de frenos
La prueba de distancia recorrida del pedal de freno vs fuerza ejercida se visualiza en la figura 39, donde se observa que la distancia que recorre el pedal puede ser indiferente de la presión que se quiera ejercer, cuando se ejerce una fuerza con una velocidad menor a 10 km/h la distancia recorrida por el pedal es de 4cm y cuando se encuentra con una velocidad máxima de 100 km/h la distancia recorrida puede llegar a los 6cm o 7cm con una fuerza de 20 kg a 30 kg además se puede observar que el tiempo de reacción es de apenas 2 o 3 segundos antes de detenerse completamente los sistemas del banco de frenos.
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4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
4.1. CONCLUSIONES
Se diseñó e implemento un sistema de control y graficador de curvas de operación en un banco simulador del sistema de frenos de disco y tambor de un vehículo liviano, mediante valores reales asignados en las diferentes pruebas de presión las cuales reflejarón presión entre 0 y 130 bar de presión en las salidas del sistema de disco y tambor en un vehículo liviano.
Se diseñó y selecciono los elementos para la implementación de los sistemas de monitoreo y control electrónico, mediante el uso de arduino mega y nano.
Se seleccionó los diferentes sensores que nos permitieron ver el monitoreo del banco de frenos, para visualizar la presión máxima de frenado de 130 bar, temperatura de funcionamiento de los sistemas de 60° C y velocidades de salida de 80 Km/h..
Las pruebas de funcionamiento del sistema de control y graficador de curvas dieron como resultado que el sistema de disco tiene una mayor eficiencia en comparación con el sistema de tambor, la presión que se genera en el sistema de disco en velocidades de 70km/h es de aproximadamente 80 bar en disco y en el sistema de tambor de 75 bar.
Los sensores infrarrojos pueden dan lecturas reales de entre 0°C y 180°C incluso si este se encuentra a temperatura ambiente nota las más mínima variación de temperatura en el disco y el tambor con un error de lectura del 0.05% de error. Las termocuplas tipo K soportan temperaturas directas de los tambores de freno, zapatas y pastillas de frenos la temperatura máxima fue de 260° centígrados por lo que se seleccionó una termocuplas tipo K que soporta temperaturas directas de hasta 400°C.
La celda de carga fue seleccionada al realizar pruebas en vehículos que se encontraban en conducción real dando como un máximo de fuerza al frenado de entre 0 kg y 30 Kg, por lo cual se adquirió una celda de carga con una capacidad de entre 0 Kg y 50 kg.
El circuito construido del control electrónico graficador cumplió con el requerimiento y la presentación de curvas de operación del sistema de frenos de disco y tambor en un vehículo liviano presentando curvas reales en tiempos reales.
Las pruebas a realizar en el banco de frenos son presión de frenado versus fuerza de frenado, presión de frenado versus velocidad, temperaturas del sistema de tambor versus temperatura del sistema de disco, distancia recorrida del pedal de frenos versus fuerza de frenado.
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4.2. RECOMENDACIONES
Tener precaución en el banco ya que por diseño de montaje se instaló el pedal de freno en el de aceleración y se recomienda ser prudente al momento de acelerar y frenar para evitar daños a la estructura del banco de frenos.
Utilizar un computador Pentium Core I5 con una memoria RAM de 8 gigas para evitar colapso de los sensores o las tarjetas de control arduino.
Utilizar el programa LabView desde la sección de la pantalla de presentación siempre ejecutando cada prueba y seleccionando su detenimiento para evitar colapsos del programa.
Al momento de realizar las pruebas no este ningún cable suelto por la parte inferior de los pedales o cerca a los sistema de frenos de disco y tambor.
