UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA LA
DETECCIÓN DE FISURAS EN BLOCKS DE LOS MOTORES DE
HASTA 2500 CENTÍMETROS CÚBICOS DE COSTRUCCIÓN
LINEAL DE CUATRO CILINDROS
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
WILSON JAVIER VARGAS CORELLA
DIRECTOR: MSC. LENIN VALENCIA
Yo WILSON JAVIER VARGAS CORELLA, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_________________________ Javier Vargas
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Construcción de un banco de pruebas para la detección de fisuras en blocks de los motores de hasta 2500 centímetros cúbicos de construcción lineal de cuatro cilindros”, que, para aspirar al título de Ingeniero Automotriz fue desarrollado por Javier Vargas, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.
___________________ Lenin Valencia
DEDICATORIA
A Dios por darme la vida, por estar siempre estar junto a mi guiándome por el camino correcto, por fortalecer mi corazón para lograr hacer las cosas que me he propuesto y no caer en malos vicios o cosas que puedan avergonzar a mi familia y sobre todo por poner en mi camino a personas que han sumado en mi vida para poder lograr realizar todas las cosas que he emprendido.
A mis padres por apoyarme en todo momento estos sean buenos o malos, por siempre darnos buenos consejos a mis hermanas y a mí persona, dándonos ejemplo de lucha, perseverancia, esfuerzo y amor aunque hayan sido momentos difíciles, y sobre todo por los valores que me han inculcado para poder ser una persona de bien como ellos lo son.
AGRADECIMIENTO
Primeramente agradezco a la Universidad Tecnológica Equinoccial especialmente a la carrera de Ingeniería Automotriz por permitirme ser parte de esta gran carrera y poder adquirir todos los conocimientos que han impartido cada uno de los profesores a lo largo de toda la carrera, para que ya en esta etapa de culminación del mi carrera de tercer nivel tenga los conocimientos necesarios para poder sobresalir en el mundo profesional y dejar en alto a la universidad.
Agradezco a mi tutor de tesis al MSc. Lenin Valencia por ser una persona paciente y estar siempre dispuesto a guiarme con este proyecto, siempre brindándome su apoyo y conocimientos para lograr culminarlo con éxito, pero sobre todo por ser un educador ejemplar y estar siempre dispuesto a brindar una mano a todos los estudiantes que lo necesiten.
A mis padres y hermanas por siempre confiar en mí, porque nunca escatimaron esfuerzos para apoyarme moral y económicamente para lograr culminar cada una de mis etapas académicas y en la vida. También quiero agradecer por formarme como un hombre de bien con todas sus enseñanzas y ejemplos que día a día me los siguen dando.
A mis compañeros de aula que siempre estuvimos apoyándonos para lograr cumplir nuestra meta de culminar con éxito nuestra carrera y ayudando en lo que estuviera a su alcance.
i
RESUMEN... xiii
ABSTRACT ... xiv
1. INTRODUCCIÓN ... 1
2. MARCO TEÓRICO ... 2
2.1. MOTOR ... 4
2.1.1. CULATA ... 4
2.1.2. BLOCK DE MOTOR ... 5
2.1.3. CÁRTER ... 6
2.2. ESTUDIO DEL BLOQUE DE MOTOR ... 7
2.2.1. FUNCIONAMIENTO ... 7
2.2.2. TIPOS DE BLOQUES DE MOTOR ... 8
2.2.2.1. Por su construcción 8 2.2.2.2. Por su material 11 2.2.3. CAMISAS DE LOS CILINDROS ... 13
2.2.3.1. Camisas húmedas 14 2.2.3.2. Camisas secas 14 2.3. MÉTODOS USADOS PARA DETECCION DE FISURAS EN PARTES DEL MOTOR ... 15
2.3.1. ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS ... 15
2.3.1.1. Inspección visual 15
2.3.1.2. Tintas penetrantes 16
ii
2.3.1.3. Ultrasonido 18
2.3.1.4. Radiografías Industriales 20
2.3.1.5. Máquina de detección de fisuras por presión de agua 22
2.4. ESFUERZOS MECÁNICOS Y TÉRMICOS DE UN MOTOR ... 23 2.4.1. ESFUERZOS MECÁNICOS ... 23 2.4.1.1 Movimiento del sistema biela – manivela 23
2.4.1.2 Causas de fisuras por efecto físico 25
2.4.2. ESFUERZOS TÉRMICOS ... 25
2.4.2.1. Balance térmico 25
2.4.2.2. Eficiencia térmica del motor 26
2.4.2.3. Rendimiento calórico 26
2.4.3. PRECAUCIONES PARA EVITAR DAÑOS EN EL SISTEMA DE
RERIGERACIÓN ... 27 2.4.3.1. Principales averías en el sistema de refrigeración 28
2.4.4. PERNOS DE LA CULATA Y BLOCK DE MOTOR ... 33 2.4.4.1. Importancia del reemplazo de pernos de sujeción de la culata y
el block 35
2.4.4.2. Conclusiones de fisuras por efecto de fallas en los pernos de
sujeción de la culata y block 36
2.4.5. FALLAS POR JUNTAS ENTRE LA CULATA Y EL BLOCK ... 37 2.4.5.1. Prevención de fallas de la junta de culata y block 38
3. METODOLOGÍA ... 39 3.1.PLANIFICACIÓN DEL EXPERIMENTO O ENSAYO ... 40
3.1.1. SELECCIÓN DE MATERIALES PARA LA CONTRUCCION DEL
iii
3.1.1.1. Estructura principal 41
3.1.1.2. Travesaños laterales 57
3.1.1.3. Pernos 72
3.1.1.4. Tuercas y arandelas 72
3.1.1.5. Plancha acrílica 73
3.1.1.6. Caucho para empaque del block de motor 74
3.1.1.7. Bomba de presión 74
3.1.1.8. Tol para depósito de refrigerante 77
3.1.1.9. Llaves de paso 80
3.1.1.10. Mangueras de presión 81
3.1.1.11. Manómetro de presión 82
3.1.1.12. Calentador de refrigerante 83
3.1.1.13. Controlador de temperatura 84
3.1.1.14. Termómetro para refrigerante 85
3.1.1.14. Neplos y acoples 86
3.2. CONSTRUCCIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS ... 87 3.2.1. CONSTRUCCIÓN Y DIMENSIONES ... 87 3.2.1.1. Construcción de estructura y base 87
3.2.2. DIMENSIONES Y MEDIDAS DE LA ESTRUCTURA ... 88 3.2.2.1. Dimensiones de la estructura principal 88
3.2.2.2. Dimensiones de la mesa secundaria 89
3.2.3. CONSTRUCCIÓN DE LOS TRAVESAÑOS LATERALES ... 90 3.2.3.1. Montaje de travesaños laterales 90
iv
3.2.4. MONTAJE DE LA BOMBA DE PRESIÓN ... 91
3.2.5. MONTAJE DEL ACOPLE DE ENTRADA DEL BLOCK DE MOTOR ... 92
3.2.6. MONTAJE DE MANGUERAS DE PRESIÓN ... 93
3.2.7. MONTAJE DE MANOMETRO DE PRESIÓN ... 96
3.2.8. MONTAJE DE ACOPLE DE SALIDA DE REFRIGERANTE DEL BLOCK DE MOTOR ... 96
3.2.9. CONSTRUCCIÓN, CONEXIÓN Y MONTAJE DEL DEPÓSITO DE REFRIGERANTE ... 97
3.2.10. MONTAJE DEL CALENTADOR DE REFRIGERANTE ... 99
3.2.11. MONTAJE DEL MEDIDOR DE TEMPERATURA DE REFRIGERANTE ... 101
3.2.12. MONTAJE DEL CONTROLADOR DE TEMPERATURA ... 102
3.2.13. CONEXIÓN ELECTRICA... 103
3.2.13.1. Conexión eléctrica de la bomba de presión 103 3.2.13.2. Conexión eléctrica del calentador de agua y controlador de temperatura 103 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 106
4.1. ANÁLISIS DE PRUEBA HIDROSTÁTICA ... 105
4.2. ANÁLISIS DE CÁLCULOS DE BOMBA HIDROSTÁTICA ... 106
4.3. ANÁLISIS DE PRESIONES ... 107
4.4. ANÁLISIS DE DILATACIÓN DEL MATERIAL DE BLOCK ... 107
4.5. ANÁLISIS DE RESISTENCIA DE LAS ESTRUCTURAS METÁLICAS ... 108
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 112
5.1. CONCLUSIONES ... 110
v
BIBLIOGRAFÍA ... 116
vi
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Apriete de pernos 34
Tabla 2. Identificación de pernos 34
Tabla 3. Identificación de torque 35
Tabla 4. Especificaciones tubo cuadrado 42
Tabla 5. Propiedades de las secciones cuadradas en perfiles de acero 43
Tabla 6. Tabla de interpolación 44
Tabla 7. Información de programa comparativo 47
Tabla 8. Propiedades físicas del acero 47
Tabla 9. Características del análisis 47
Tabla 10. Características del material analizado 48
Tabla 11. Carga aplicada a un lado de la mesa principal 48
Tabla 12. Carga aplicada sobre el otro lado de la mesa principal 50
Tabla 13. Carga del block con el travesaño en la estructura principal 51
Tabla 14. Análisis de carga del travesaño más el block sobre la estructura
principal 52
Tabla 15. Fuerza de reacción y Momento de Restricciones 53
Tabla 16. Resultados de análisis 54
Tabla 17. Especificaciones tubo cuadrado 58
Tabla 18. Propiedades físicas de acero 62
Tabla 19. Características del análisis 63
Tabla 20. Características del material 63
Tabla 21. Carga del block en el travesaño 64
Tabla 22. Fuerza de reacción y Momento de Restricciones 67
Tabla 23. Resultados de análisis 68
Tabla 24. Especificaciones varilla roscada para pernos de sujeción 72
Tabla 25. Especificaciones bomba monofásica 75
Tabla 26. Especificaciones del depósito de refrigerante 78
vii
Tabla 27. Especificaciones de manguera 81
Tabla 28. Especificaciones Manómetro de Presión 82
Tabla 29. Especificaciones de Resistencia 83
Tabla 30. Tabla de coeficientes de expansión térmica de los materiales 84
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Culata de motor 5
Figura 2. Block de motor 6
Figura 3. Carter de motor 7
Figura 4. Bloque de motor lineal 9
Figura 5. Bloque de cilindros en V 10
Figura 6. Motor de cilindros opuestos 11
Figura 7. Camisa húmeda 14
Figura 8. Camisa seca 15
Figura 9. Fisura superficial en metal 17
Figura 10. Ensayo de líquidos penetrantes 18
Figura 11. Imperfección detectada por ultrasonido 18
Figura 12. Frecuencia del ultrasonido por fisura interna 19
Figura 13. Ensayo radiográfico 20
Figura 14. Radiografía industrial de un objeto metálico 21
Figura 15. Máquina de Testar Fisuras de Tapas de Cilindros 22
Figura 16. Movimiento biela-manivela 24
Figura 17. Movimiento biela-manivela (ángulo vs. longitud) 24
Figura 18. Orden de apriete de los pernos de sujeción de culata y block de
motor 36
Figura 19. Junta de culata que debe ser reemplazada 38
Figura 20. Junta de culata nueva 39
Figura 21. Tubo de sección cuadrada de 100 mm 42
Figura 22. Propiedades de las secciones cuadradas en perfiles de acero 44
Figura 23. Sección transversal 100x100x3 mm 44
Figura 24. Diagrama de fuerza cortante y momento flector para el perfil de
100x100 mm 45
Figura 25. Vista superior del área de análisis 49
Figura 26. Vista inferior del área de análisis 49
ix
Figura 27. Vista superior del análisis 50
Figura 28. Vista inferior del análisis 51
Figura 29. Vista superior del análisis 51
Figura 30. Vista inferior del análisis 52
Figura 31. Vista superior del análisis 53
Figura 32. Carga aplicada sobre el centro de la mesa 55
Figura 33. Primer esfuerzo principal de la mesa 55
Figura 34. Deformación de la mesa vista superior 56
Figura 35. Deformación de la mesa vista inferior 56
Figura 36. Factor de seguridad vista superior 57
Figura 37. Factor de seguridad vista inferior 57
Figura 38.Tubo sección cuadrada 50 mm 58
Figura 39. Sección transversal de tubo cuadrado 50x50x2 mm 59
Figura 40. Diagrama de cuerpo libre del travesaño 60
Figura 41. Diagramas de fuerza cortante y momento flector 61
Figura 42. Vista superior 64
Figura 43. Vista inferior 65
Figura 44. Vista superior 65
Figura 45. Vista inferior 66
Figura 46. Apoyos vista superior 66
Figura 47. Apoyos vista inferior 67
Figura 48. Punto de mayor carga en el centro del travesaño 69
Figura 49. Primer esfuerzo del travesaño 69
Figura 50. Deformación del travesaño vista superior 70
Figura 51. Deformación del travesaño vista inferior 70
Figura 52. Factor de seguridad vista superior 71
Figura 53. Factor de seguridad vista inferior 71
Figura 54. Tuercas y arandelas 73
Figura 55. Plancha acrílica transparente 73
x
Figura 57. Bomba de agua monofásica 75
Figura 58. Depósito de refrigerante 78
Figura 59. Llave de paso fv 80
Figura 60. Manguera de presión 81
Figura 61. Manómetro de presión 82
Figura 62. Resistencia 83
Figura 63. Controlador de temperatura 85
Figura 64. Termómetro digital sumergible 85
Figura 65. Neplos y acoples rápidos 86
Figura 66. Estructura principal de banco de pruebas (vista en perspectiva) 88
Figura 67. Dimensiones de estructura principal 89
Figura 68. Dimensiones travesaños laterales 90
Figura 69. Montaje de travesaños laterales 91
Figura 70. Montaje de la bomba de presión 92
Figura 71. Acople de entrada de refrigerante al block de motor 93
Figura 72. Conexión manguera 1 94
Figura 73. Conexión manguera 2 95
Figura 74. Conexión manguera 3 95
Figura 75. Conexión del manómetro de presión 96
Figura 76. Conexión acople de salida del block 97
Figura 77. Conexión de manguera de salida del block hacia el depósito 97
Figura 78. Deposito doblado en secciones 98
Figura 79. Construcción depósito de refrigerante 98
Figura 80. Conexión de mangueras al depósito 99
Figura 81. Resistencia del depósito 100
Figura 82. Montaje de resistencia con brida NPT 101
Figura 83. Termómetro con racor 101
Figura 84. Varilla sumergible del termómetro 102
Figura 85. Montaje del controlador de temperatura 102
xi
Figura 87. Diagrama eléctrico calentador de agua 104
Figura 88. Verificación de conexiones eléctricas 118
Figura 89. Verificación de conexiones de cañerías 119
Figura 90. Verificación del depósito de refrigerante 120
Figura 91. Verificación bomba de presión 120
Figura 92. Montaje de travesaños laterales y pernos de sujeción 123
Figura 93. Montaje del block de motor 124
Figura 94. Empaque de caucho en el block 124
Figura 95. Plancha acrílica en block 125
Figura 96. Block con conductos sellados 126
Figura 97. Conexión de primera cañería 127
Figura 98. Conexión cañería 2 127
Figura 99. Conexión cañería 3 128
Figura 100. Temperatura ideal de trabajo 128
Figura 101. Agua a temperatura ideal de trabajo 129
Figura 102. Perilla controladora de temperatura 129
Figura 103. Accionamiento de bomba de presión 130
Figura 104. Presión a 50 PSI 130
Figura 105. Fuga de agua en el block de motor analizado 131
xii
ÍNDICE DE ANEXOS
ANEXO 1. 122 Práctica N° 1. Verificación de funcionamiento de banco de pruebas
ANEXO 2. 127 Practica N° 2. Guía de prácticas para el banco de pruebas
ANEXO 3. 138 Práctica N° 3. Análisis de posibles soluciones de fisuras en los blocks de
motores
xiv
ABSTRACT
1 estudiantes de la carrera de Ingeniería Automotriz de la Universidad Tecnológica Equinoccial para la realización de prácticas reales, ya que el taller de la carrera carece de un banco de pruebas de este tipo. Los estudiantes desconocen cómo realizar pruebas de detección de fisuras en blocks, ya que no hay un banco de pruebas para la detección de este tipo de problemas, por lo que el proyecto fue construido para que los estudiantes de la carrera realicen pruebas de igual manera como se las realiza en las rectificadoras de partes de motores de vehículos para la detección de este tipo de averías en las diferentes partes de los motores.
Las fisuras en un motor de combustión interna pueden ser de varias y de distinta naturaleza. Este proyecto fue enfocado en la detección de fisuras en blocks de motor lineales de cuatro cilindros de hasta 2500 centímetros cúbicos, para lo cual se realizó pruebas hidrostáticas en el banco de pruebas y se comparó con otros métodos también de detección de fisuras en motores.
Muchos técnicos automotrices de nuestro medio desconocen cómo identificar fisuras y los procesos que se deberían seguir en caso de que se encuentren con un problema de estos en diferentes partes del motor, ya que por lo general estas son difíciles de apreciarlas, ya que estas se dan en lugares de difícil visibilidad y acceso, por lo que no se las puede detectar con facilidad.
Para determinar las posibles causas por las cuales se puede presentar una fisura en el block del motor, se demostró los esfuerzos mecánicos a los que está sometido un determinado motor, con las condiciones que se presentan en Quito que es el lugar donde nos desenvolvemos.
2 capacidad para disipar el calor generado por el trabajo. Para la construcción de este banco se diseñó planos, se analizaron los materiales más adecuados para la construcción de la estructura del mismo y se explicara de una forma detallada como se realizó la construcción paso a paso del banco, ya que uno de los objetivos es que se puedan crear replicas para su posterior venta si este fuera el caso.
En el medio en que nos desenvolvemos y por no tener la accesibilidad a este tipo de equipos tan escasos y/o costosos, me he visto en la necesidad de diseñar y construir un banco de pruebas para la detección de fisuras y también de demostrar con otro de los métodos muy usados como es las tintas penetrantes, como es la detección de este tipo de fallas, para así poder cubrir una necesidad técnica que tienen hoy en día los técnicos automotrices. En algunas reconstructoras de motores poseen equipos para la detección de fisuras, pero se lo hace de una forma empírica y no técnicamente por lo que este proyecto va enfocado a crear un equipo que pueda facilitar y trabajar de una forma más científica para la detección de este tipo de problemas en los bloques de los motores.
Se determinan las presiones ideales para la realización de la prueba hidrostática para evitar daños tanto en el block de motor o como en la bomba de presión. Así mismo veremos cual líquido es el adecuado para ser usado en la prueba para que nos facilite la detección de las fisuras.
También se seleccionó los materiales necesarios que se necesitan para hermetizar todo el sistema, para poder lograr la realización de la prueba hidrostática con éxito y como van ubicadas todas las partes del banco.
3 pero la mayoría de talleres automotrices no tienen como detectar este tipo de fallas, tan solo con una inspección visual. Por esta razón nos hemos visto en la necesidad de diseñar un equipo y un método adecuado para que los técnicos automotrices puedan usar de forma rápida y económica con la finalidad de detectar este tipo de fallas para poder dar su posterior solución.
La justificación para la realización de este banco de pruebas es que en el área de mantenimiento automotriz es difícil la accesibilidad a este tipo de equipos para la detección de fisuras en el bloque del motor debido a que son escasos y costos, por lo que el estudio para el diseño de este banco de pruebas es factible ya que puede ser muy útil su uso para técnicos automotrices en talleres de mantenimiento y principalmente para el uso de los estudiantes de Ingeniería Automotriz de la Universidad Tecnológica Equinoccial, ya que los estudiantes conocen muy poco sobre este tema y los procedimientos que se deberían seguir en caso de que tengan un problema de este tipo.
Los objetivos de este proyecto fueron:
Construir un banco de pruebas para la detección de fisuras en blocks
de motores lineales de cuatro cilindros de hasta 2500 centímetros cúbicos de Automóviles, para la implementación y la realización de pruebas reales para la detección de este tipo de averías en los motores.
Comparar con otros métodos para la detección de fisuras, para determinar las ventajas y desventajas que presentan cada uno de ellos.
Elaborar una guía de prácticas para el banco de pruebas para facilitar su manejo a los estudiantes de Ingeniería Automotriz en el taller de la Carrera.
Determinar el comportamiento de los materiales con los que se construyó
4 Los motores de combustión interna son aquellos en el que el trabajo se produce médiate el calor aprovechado por la quema de la mezcla aire - combustible en una cámara cerrada, con el fin de incrementarla presión y generar la suficiente potencia para el movimiento lineal alternativo del pistón.
Este movimiento es transmitido por medio de la biela al eje principal del motor o cigüeñal, donde se convierte en movimiento rotativo, el cual se transmite a los mecanismos de transmisión de potencia (caja de velocidades, eje, diferencial, etc) y finalmente a las ruedas, con la potencia necesaria para desplazar el vehículo a la velocidad deseada.
Entre los elementos fijos o estáticos del motor se encuentran los siguientes estos que son los principales:
Culata o cabezote
Bloque de cilindros o block de motor
Carter
2.1.1. CULATA
La culata es el elemento de motor que cierra los cilindros en la parte superior y forma la pared fija de la cámara de combustión. Este elemento puede ser de fundición de hierro o aluminio.
5 Entre la culata y el block de motor va ubicado una junta o empaque que va prensado entre las dos que posteriormente vamos a estudiar más detalladamente.
Figura 1. Culata de motor (Duran, 2003)
2.1.2. BLOCK DE MOTOR
Es la estructura básica del motor y el elemento central y más grande del motor, en este van alojados los cilindros, cigüeñal, etc. Estos generalmente son de fundición de hierro o aluminio.
En el block de motor es donde se mueven los pistones y bielas en el interior de los cilindros y donde se sujeta y gira el cigüeñal. En este elemento van al igual que en la culata conductos de refrigeración y lubricación.
6
Figura 2. Block de motor (Duran, 2003)
2.1.3. CÁRTER
El Carter de aceite o también llamado cárter inferior es una pieza realizada en chapa de acero, obtenida por embutición, cuya función es de cerrar el motor por la parte inferior, además sirve de depósito del aceite de engrase del motor donde se refrigera al ceder al calor exterior.
La forma cóncava del cárter aporta a la capacidad de almacenaje de aceite necesaria para cada tipo de motor. La cantidad de aceite se comprueba verificando mediante la varilla con sus diferentes marcas dadas por los fabricantes.
7
Figura 3. Carter de motor (Mello, 2012)
2.2 ESTUDIO DEL BLOQUE DE MOTOR
El bloque de motor por estar ubicado en la parte central entre el cárter de aceite y la culata por lo que el bloque está fijado al chasis o bastidor por unas piezas llamadas soportes.
En el bloque se forman los cilindros donde se mueven los pistones y sobre él se montan la mayor parte de las piezas del motor.
Por lo general el bloque de cilindros forma una sola pieza con el cárter; pero en algunos casos se funden por separado como piezas distintas. (Castro, 2000)
2.2.1. FUNCIONAMIENTO
En el bloque de motor están ubicados los cilindros que es el lugar donde se mueven los pistones y donde se realizan los mayores esfuerzos mecánicos del motor.
El bloque del motor también cumple la función de disipar el calor por conducción atreves de su cuerpo y debe tener una gran rigidez para soporta todos los esfuerzos mecánicos que se origina por el mismo trabajo del motor.
8 El bloque de motor está relacionado con el tipo de motor, ya que por su diseño podremos saber si es de 4, 6 o más cilindros, si el motor es de construcción lineal, de tipo en V según la disposición de los cilindros.
El bloque tiene aperturas y conexiones por los cuales varios dispositivos o piezas adicionales son controlados por la rotación del cigüeñal, como puede ser la bomba de agua, bomba de aceite, distribuidor o bomba de inyección (en vehículos que lo posean). (EcuRed)
2.2.2. TIPOS DE BLOQUES DE MOTOR
A los bloques de motor se los divide por su tipo de construcción, como pueden ser de construcción lineal, en V y de cilindros opuestos.
También se los divide por su material de construcción y estos pueden ser de aleaciones de hierro fundido y en la actualidad de aluminio.
2.2.2.1. Por su construcción
Por su construcción o disposición de los cilindros se los divide en los generalmente llamados en línea, en V u opuestos
Cilindros en línea:
En este tipo de bloques de motor, los cilindros están dispuestos uno a continuación de otro. Los motores lineales generalmente son los usados en automóviles de gama media y baja.
9 12 cilindros, por lo que se dificultaba realizar trabajos por ser demasiado grandes.
El problema de desbalanceamiento de motores con pocos cilindros fue resuelto con volantes de inercia y balancines, que contrarrestaban esas fuerzas en motores de 4 en línea y V6, haciendo que estos últimos sean más prácticos que los 6 cilindros en línea. Otros fabricantes como Volkswagen ha mezclado lo mejor de ambos tipos de bloques, haciendo motores V6 con un ángulo de bancada (ángulo formado por grupos de cilindros o bancos) estrechos.
En la actualidad el tipo de bloque más usado es el de 4 cilindros en línea, aunque algunos fabricantes como Audi tienen motores 5 cilindros en línea. BMW usa motores 6 cilindros en línea al igual que Nissan en los modelos Skyline, pero en la actualidad están siendo reemplazados por los motores V6 que ocupan menor espacio. (Tosti, 2013)
Figura 4. Bloque de motor lineal (Tosti, 2013)
Cilindros en V:
10 Se puede considerar a los motores en V como 2 motores en línea unidos por el mismo cigüeñal, con un ángulo entre ambos bancos de cilindros llamado ángulos de bancada, que depende de varios factores. Los bloques pueden ser de dos, cuatro, cinco, seis, ocho, diez y doce cilindros, siendo los dos los más pequeños usados en motos y botes.
El ángulo entre cada bloque de cilindros los más comunes son de 120° y bloques más anchos de 90° o 60°. En la actualidad hay motores con 15° conocidos como los VR que se usa en los motores Audi, Volkswagen. (Tosti, 2013)
Figura 5. Bloque de cilindros en V (Tosti, 2013)
Cilindros opuestos o planos:
Algunos llamados motores Boxer, en este bloque los cilindros están ubicados también en dos líneas cada uno con la mitad de cilindros, pero se encuentran dispuestos horizontalmente.
11 A diferencia de que la mayoría de gente piensa, no todos los motores opuestos son Boxer. Existen dos categorías de motores planos: los bóxer y los en V de 180 grados. La diferencia entre estos dos tipos radica en la conexión de la biela al cigüeñal, donde el motor en V de 180° los cilindros opuestos están conectados al mismo muñón de manivela y el motor bóxer va una biela por muñón. Esta configuración de motor fue usado en modelos de Ferrari, Alfa Romeo y fue mucho más eficiente.
La gran ventaja que ofrecen los motores planos es su menor centro de gravedad, y el mejor balanceo natural y su desventaja su mayor costo por desarrollo.
Figura 6. Motor de cilindros opuestos (Tosti, 2013)
2.2.2.2. Por su material
12
De aluminio:
En algunos motores el bloque de cilindros es de aluminio. El aluminio es un material más ligero que el hierro fundido por lo que es de menor peso y conduce el calor más rápidamente. Su menor peso y su facilidad para conducir el calor son las dos razones principales por las cuales los fabricantes emplean este tipo de material para la fabricación de los bloques de cilindros.
El aluminio es un metal demasiado blando para ser usado como material constituyente de las paredes de los cilindros ya que estos se desgastarían rápidamente. Por esta razón los bloques de cilindros de aluminio usan forros cilíndricos o camisas de fundición de hierro. Estos forros cilíndricos de hierro fundido pueden ser fundidos en los bloque de cilindros, o ser instalados posteriormente.
Los forros cilíndricos de fundición de hierro son instalados en el molde y alrededor de ellos se vierte el aluminio. De esta manera los forros se convierten en una parte permanente del bloque de cilindros.
Se pueden instalar posteriormente dos tipos de forros cilíndricos o camisas, de tipo seco o de tipo húmedo. Los primeros están introducidos a una elevada presión en el interior del bloque de cilindros, estableciendo contacto con la pared de aluminio en toda su longitud. Las camisas de tipo húmedo solo tocan las paredes de aluminio en la parte superior e inferior, y lo demás con el líquido refrigerante. Estos forros pueden ser retirados y reemplazados si estos se encuentran deteriorados o con desgaste. (Crouse, 2003)
Fundiciones de hierro:
La mayor parte de los motores y bloques de motor son construidos con hierro fundido ya que este metal es bastante resistente y económico.
13 Por regla general, los bloques de motores de los automóviles se hacen de fundición gris. La fundición gris contiene aproximadamente un 3% de carbono, fundamentalmente en forma de grafito libre. La fundición gris es de precio bajo y posee muchas propiedades que la convierten en un material industrialmente muy valioso. No se deforma a causa de las elevadas presiones y temperaturas que se desarrollan en los cilindros y pese a su resistencia, no es exactamente pesada ya que la densidad del hierro es de 7,87 ⁄ y su peso especifico de 76,93 ⁄ y es mucho menor a la de otros metales. Su ductilidad es suficiente para el mecanizado y facilita el acabado fino de las superficies, se desgasta bien, absorbe vibraciones y presenta buenas características a resistencia a la corrosión. Además permite obtener por fundición el molde de arena, las complicadas formas que resultan cuando camisas de agua, orificios de válvulas, etc., han de incorporarse como parte integrante del bloque. (Garcia, 2011)
2.2.3. CAMISAS DE LOS CILINDROS
Algunos diseños de motores utilizan camisas de cilindros. Una camisa de cilindro es un cilindro de acero especial con tratamientos térmicos que se inserta en el block de motor. No todos los bloques de motor requieren de camisas. Las camisas son hechas de un material duro tratado teóricamente para contener la combustión dentro de los cilindros y reducir el desgaste producido por el movimiento de los anillos del pistón.
Se tienen dos tipos de camisas de cilindros: las camisas húmedas y las camisas secas.
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2.2.3.1. Camisas húmedas
Se denominan así porque van en contacto directo por su parte externa, con el agua que circula en el interior de bloque. Esta se encarga de sacar el calor generado por la fricción de los pistones y por la combustión producida en el interior de las cámaras.
Las camisas húmedas son recambiables. Se requiere para su montaje asegurar su estanqueidad entre el sistema de refrigeración y el interior del cárter. Esto se consigue colocando juntas o sellos en los extremos de las camisas (no se rectifican). (Ayala, 2007)
Figura 7. Camisa húmeda
2.2.3.2. Camisas secas
Se caracterizan porque no están en contacto directo con el refrigerante de refrigeración y el espesor de la pared es menor que el de la camisa húmeda en algunos casos.
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Figura 8. Camisa seca
2.3 MÉTODOS USADOS PARA DETECCION DE FISURAS EN
PARTES DEL MOTOR
2.3.1. ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS
Para la detección de fisuras en las culatas tanto como en el block se usan ensayos no destructivos (END), que tienen como objetivo la evaluación del estado de los materiales, sin que se afecten a las propiedades físicas, química, mecánicas de estos y que tampoco afecten a la funcionalidad de los mismos. Como los líquidos penetrantes, ultrasonido (fallas y medición de espesor), radiografía industrial y la inspección visual. Estos métodos son usados para la detección de agrietamientos en block de motor, cigüeñal de motor, puntas de eje de motor, árboles de levas, válvulas, engranajes, etc. (Rodríguez, 2012)
2.3.1.1. Inspección visual
Aunque sea el método más modesto, siempre hay que realizarlo previamente antes de usar los otros métodos más sofisticados, por lo que es el ensayo más empleado por su rapidez, sencillez y más económico.
16 La inspección visual es el método más básico que se usa para la detección de fisuras. Las herramientas usadas para la inspección visual suelen ser endoscopios, lupas, espejos o gafas de aumento.
Las ventajas de la inspección visual es que es simple de usar en aras donde otros métodos son impracticables. E fácil de usar herramientas sencillas como espejos, lámparas, lupas, etc.
Las desventajas de este ensayo son que en ocasiones por la ubicación de los motores hay lugares que son de difícil accesibilidad.
2.3.1.2. Tintas penetrantes
La técnica de las tintas penetrantes está basada en el fenómeno de la capilaridad los cuales permiten detectar defectos de aberturas o discontinuidades superficiales, este método consiste en la aplicación de un líquido con buenas características de penetración en pequeñas aberturas o grietas, siempre y cuando la superficie del material a inspeccionar este limpia. Una vez dentro de la fisura o agrietamiento, esta absorbe el líquido hacia la superficie del material, a través del uso de un agente absorbente denominado revelador.
En comparación con otros métodos para detección de fisuras no destructivos, la aplicación práctica de este método en general es la menos compleja ya que no requiere la utilización de equipos complicados o costosos. Por esta razón su ejecución no es menos cuidadosa que las otras.
Los líquidos penetrantes tienen la propiedad de penetrar e cualquier abertura u orificio que presente el block o culata.
Los líquidos penetrantes deben reunir las siguientes características:
Habilidad para penetrar en fisuras o aberturas muy pequeñas y estrechas.
Habilidad para permanecer en grandes aberturas.
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Fácil de remover de las superficies.
Habilidad para la visualización.
Atoxico.
Figura 9. Fisura superficial en metal
La aplicación de este método se lo realiza mediante un protocolo, cuyos pasos son los siguientes:
Limpiar adecuadamente el elemento analizar, dejando libre de agentes contaminantes.
Se aplica sobre el elemento el líquido penetrante, que por lo general es de color rojo de alta capilaridad, que penetra el material en caso de que esté presente defectos.
Se limpia el exceso del líquido penetrante con ayuda un líquido eliminador, que se lo pone en un papel y se lo frota por la superficie del elemento.
Se aplica el líquido revelador de color blanco que tiene una gran capacidad de absorción. Este líquido absorbe el líquido penetrante que queda en las discontinuidades de material, quedando el revelador manchado de rojo en las zonas con defectos.
18 Cuando se concluye el ensayo se debe limpiar el elemento analizado totalmente.
Figura 10. Ensayo de líquidos penetrantes
2.3.1.3. Ultrasonido
El ultrasonido es un método no destructivo donde se introducen en los objetos a analizar ondas sonoras de alta frecuencia con las que se detectan fallas superficiales o internas como fisuras. Estas ondas sonoras se propagan por el material a una velocidad específica, estas revotan y hacia el palpador el cual está conectado a un equipo que analiza los tiempos relativos del “eco” recibido.
19 El análisis por estén equipo permite detectar si hay discontinuidades dentro del block o el objeto analizado, como también dimensionarlas y caracterizarlas. El grado de reflejo o revote de la onda depende del estado físico de los materiales de la interface, y en una menor parte al estado físico del material.
El método del ultrasonido es uno de los más usados, su principal aplicación es la detección y caracterización de fallas internas, también se lo usa para la detección de fallas superficiales, medir espesores y corrosión; y mucho menos frecuentes para determinar características físicas, estructurales y elásticas de los materiales.
El método del ultrasonido requiere de un equipamiento sofisticado, el cual debe ser inicialmente calibrado para cada inspección para que las lecturas o ecos sean relevantes.
Figura 12. Frecuencia del ultrasonido por fisura interna (Endyser)
Ventajas del uso de ultrasonido
Puede tener varios metros de penetración en el material para detección de defectos.
20 Puede ser utilizado para diferentes cosas como se lo explico anteriormente. Es usada en cualquier tipo de material. (Endyser)
Desventajas del uso de ultrasonido
La geometría de la piezas y características metalúrgicas las mismas pueden a veces ser el obstáculo principal.
Se requiere de personal calificado para su uso.
Su costo inicial es elevado por el tipo de equipo necesario para realizar la prueba. (Endyser)
2.3.1.4. Radiografías Industriales
Técnica no destructiva que permite detectar y examinar una gran cantidad de fallas superficiales en piezas de un motor y principio está en la capacidad de penetración de los rayos X o de los rayos Gamma en distintos materiales en función de su naturaleza y espesor.
Figura 13. Ensayo radiográfico
21 radiográfica se obtiene cambios de tonalidad en zonas donde se recibe radiación. Interpretando la imagen de forma correcta se detecta los defectos presentes en el material como se observa en la imagen siguiente.
Figura 14. Radiografía industrial de un objeto metálico (Gamma End)
Ventajas del método de radiografía
Es un método muy sensible y proporciona una imagen en película pudiéndose conservar como evidencia.
Se puede disponer de un registro visual permanente de la estructura interna de la pieza.
Desventajas del método de radiografía
Es un método peligroso ya que el operador se expone a la radiación.
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2.3.1.5. Máquina de detección de fisuras por presión de agua
Esta máquina de tetar fisuras en las tapas de los cilindros de un motor es la más usada en rectificadoras de partes automotriz. El funcionamiento de esta máquina consiste en enviar líquido refrigerante por medio de una bomba hidráulica a una temperatura de 70 °C aproximadamente por los conductos de refrigeración ya sea del cabezote o block de motor, para lograr que con la temperatura se dilate el material y así detectar con mayor facilidad la fisura si esta existiera.
El líquido refrigerante ingresa al cabezote o block de motor mediante una manguera de entrada y esta recircula por todos los conductos y sale por el otro extremo por otra manguera de salida que va hacia en recipiente de refrigerante. Poseen un tanque acumulador de refrigerante que tiene una capacidad aproximada de 30 litros, en este acumulador de refrigerante va instalada una resistencia eléctrica para lograr que el refrigerante alcance una temperatura aproximada de 70 °C para lograr que el material del objeto a analizar se dilate y se expanda para que sea más fácil la detección de una fisura.
Este método para la detección de fisuras es el más usado junto con las tintas penetrantes ya que son los métodos más económicos, eficientes y rápidos para hallar este tipo de daños. (Vargas, 2014)
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2.4 ESFUERZOS MECÁNICOS Y TÉRMICOS DE UN MOTOR
2.4.1. ESFUERZOS MECÁNICOS
Aquí analizaremos a los grandes esfuerzos a los que está sometido los motores de combustión interna, los cuales pueden ser motivo para que un motor presente una fisura.
2.4.1.1. Movimiento del sistema biela – manivela
El movimiento alternativo del pistón se transforma en circular continuo del cigüeñal mediante el mecanismo biela - manivela. Mientras el embolo se desplaza desde arriba hacia abajo y viceversa en trayectoria rectilínea (Pistón), el codo del cigüeñal lo hace en trayectoria circular. Analizando el esquema se puede deducir que en los puntos muertos (A – B) la velocidad cambia de sentido pasando por el valor cero. Si consideramos que la velocidad de rotación (cigüeñal) es constante, la del pistón es variable, pasando de un movimiento acelerado a un movimiento retardado, dependiendo de la posición del codo del cigüeñal.
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Figura 16. Movimiento biela-manivela (Muñoz A. , 2009)
Para presentar la variación de los movimientos del pistón en función del ángulo de la manivela, se ha trazado un diagrama en el cual en el eje de las abscisas los valores de giro del cigüeñal, y en el eje de las ordenadas los desplazamientos del pistón.
Figura 17. Movimiento biela-manivela (ángulo vs. longitud) (Muñoz A. , 2009)
25 recorrer la primera mitad de la carrera del motor emplea un tiempo menor para recorrer la segunda mitad.
2.4.1.2. Causas de fisuras por efecto físico
Como se puede ver en los esfuerzos físicos que realiza un motor la presión más alta es cuando se acaba la combustión y empieza la expansión, por lo que en este punto es cuando se realiza un mayor esfuerzo mecánico en el motor. Por lo tanto en este punto es donde un bloque de motor puede presentar una fisura ya sea por la fatiga del material o excesivo esfuerzo.
Estos cálculos nos ayuda a tener una idea más clara y de una forma teórica todos los esfuerzos a los que se encuentran sometidos los motores de combustión interna y los daños que pueden generan los mismos en partes del motor.
El bloque de motor y la culata son las partes con mayor riesgo de sufrir daños como fisuras al esforzar el mecanismo hasta el extremo.
2.4.2. ESFUERZOS TÉRMICOS
2.4.2.1. Balance térmico
Cuando se produce la combustión en un cilindro, la temperatura que se alcanza en la cámara de combustión es de 2000 °C aproximadamente. Esta temperatura se disipa en todas las piezas que forman parte de la cámara de combustión y todas las partes que están en contacto directo con los gases producto de la combustión.
26 Como podemos darnos cuenta esta puede ser una de las razones de una fisura ya que gran parte del poder calorífico se concentra en el material del motor. Donde se origina la explosión que es en la cámara de combustión donde existe una elevada temperatura que es alrededor de 1500° a 2000 °C.
Esta falta de eficiencia obliga a los diseñadores a realizar estudios cada día más profundos para lograr mejores rendimientos en los motores como el mejoramiento de materiales de construcción de motores, cuyo desarrollo tecnológico es cada vez más avanzado. (Castro, 2000)
2.4.2.2. Eficiencia térmica del motor
Los motores de combustión interna no son capaces de alcanzar el 100% de eficiencia térmica, es decir, no pueden aprovechar todo el calor generado por la quema del combustible para ser transformarlo en fuerza motriz. Solo alrededor del 35% de energía calórica que se dispone, se trasforma en movimiento y la otra parte se concentra en movimiento y la otra parte se concentra en los materiales y luego se disipa (perdida) debido a la refrigeración y la fricción de las partes y esta energía calórica se pierde en la atmosfera.
La ventaja que presenta el motor de gasolina se basa en la agilidad de aceleración que presentan, a diferencia de otros tipos como el diesel, que desempeña mejor eficiencia térmica pero son más lentos en su desarrollo. (Todo motor)
2.4.2.3. Rendimiento calórico
27 Variadas son las razones por la cual un motor puede cambiar su eficiencia térmica. Como por ejemplo podemos mencionar un motor que está siendo refrigerado en exceso, es decir, su sistema de refrigeración no es el apropiado ya que retira mayor calor que el adecuado. Como consecuencia de esto el conjunto opera a temperaturas menores y su fuerza motriz decae. (Todo motor)
2.4.3. PRECAUCIONES PARA EVITAR DAÑOS EN EL SISTEMA DE RERIGERACIÓN
El mantenimiento del sistema de refrigeración consiste en la inspección del nivel de líquido refrigerante en el depósito y una inspección visual de posibles fugas. El líquido utilizado en el sistema de refrigeración debe ser un refrigerante especialmente preparado con aditivos que eviten las incrustaciones de sedimentos, oxido, congelamiento y que contenga algún componente lubricante. En el mercado existen varios tipos de refrigerantes preparados con aditivos listos para su uso. Lo que la gente no sabe es que se debe realizar un cambio de refrigerante y un lavado del circuito por lo menos una vez al año, ya que los aditivos se degradan con el paso del tiempo.
Si a un motor se lo hace funcionar con el refrigerante adecuado, el radiador se mantiene limpio, la bomba de agua y el termostato duran tres veces más que cuando se utiliza agua de la llave y las mangueras y cañerías se deterioran menos.
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2.4.3.1. Principales averías en el sistema de refrigeración
Las fallas en el sistema están asociadas a pérdidas indebidas de líquido refrigerante. Las posibles fallas se presentan con un aumento fuera de lo normal de la temperatura de funcionamiento.
Esta temperatura siempre debe ser controlada en el reloj indicador de temperatura en el tacómetro si existe o en atención en cualquier anormalidad o fuga de presión en el circuito, cuando no exista reloj indicador de temperatura del motor.
En primer lugar hay que comprobar el nivel de líquido refrigerante sea el correcto. Primero se verifica en la botella de expansión para ver si está dentro del nivel requerido por el fabricante; si el nivel es el correcto posteriormente se verifica si el radiador está lleno de refrigerante.
En caso de que lo anteriormente dicho este correcto, es necesario verificar el correcto funcionamiento de los demás componentes del sistema de refrigeración para evitar las subidas del temperatura que podrían derivar en problemas más grandes.
Uno de los más comunes daños que se presentan por temperatura es la de fisuras tanto en la culata como en el block del motor. Cuando se presente una falla de esta naturaleza requiere de una urgente revisión. (Castro, 2000)
Radiador:
29 Para evitar la formación de óxido por el ataque del agua en las paredes del circuito de refrigeración, pueden utilizarse inhibidores o líquidos antioxidantes, que se las emplea según como lo indique el fabricante.
En caso de que el radiador presente fugas y pérdidas considerables de refrigerante se deberá localizar la fuga ya que se pierde presión en el sistema y esto podría producir el sobrecalentamiento del motor y posteriormente presentar una fuga. (Castro, 2000)
Ventilador:
El ventilador es una de las partes más importantes del motor, ya que fallas en su funcionamiento provocarían el sobrecalentamiento. El ventilador es el encargado de dar un flujo de aire al radiador de manera continua. La única ventaja de tener problemas en dicho dispositivo, es lo fácil que se detecta cuando está fallando, por la daños que veremos posteriormente.
Los problemas más comunes que presentan los ventiladores son cuando los fusibles que accionan a estos sufren daños y a causa de esto los ventiladores dejan de trabajar.
Algunos autos tienen electroventiladores que operan con su propio termostato o sensor de temperatura, activando el ventilador cuando requiere, manteniéndolo girando después de apagar el motor hasta que se enfría el sistema. (BEHR, 2008)
Bomba de recirculación de refrigerante
30 Otra falla común es cuando se rompe la carcasa de la bomba, el cual se puede presentar por una mala alineación de la banda o la excesiva vibración.
La corrosión por el exceso de partículas de óxido pueden dañar los sellos de la bomba, por lo que es necesario tener una mezcla correcta de refrigerante y antioxidante para evitar la creación de óxido. (Orejuela, 2011)
Termostato
El termostato puede presentar dos tipos de fallas, generalmente asociadas a la suciedad en el sistema de refrigeración. Puede quedar permanentemente cerrado, con lo que impide el paso de refrigerante al radiador y el motor se recalienta rápidamente. Si se tiene en buen estado la bomba de agua, se verifica con el motor caliente, cuando al sacar la tapa del radiador no se ve movimiento en el líquido dentro del radiador. La otra falla, menos común, es que el termostato queda permanentemente abierto, con lo que el motor tarda en alcanzar su temperatura ideal de trabajo por lo que se debe cambiar el termostato por un nuevo. (Torres, 2000)
Pérdidas de líquido refrigerante
Las fugas se pueden presentar en las cañería superiores o inferiores del radiador, en las mangueras de paso alternativo, en la bomba de agua y su empaquetadura, el radiador, por la tapa del radiador, en el circuito del vaso expansor, en la tapa del termostato, en la válvula del circuito de calefacción, en los sellos de agua del bloque o la empaquetadura de la culata.
31 calidad superior y que cumplan con los diámetros y curvaturas necesarias, a fin de evitar estrangulamientos por presión o posición.
Para sacar la bomba de agua y su empaquetadura, es necesario sacra el radiador, aflojar la correa del alternador, sacar las aspas del ventilador y soltar los pernos que fijan la bomba al bloque. Para colocar la nueva bomba lo más recomendable es cambiar los pernos para evitar aislamientos en el perno como en el bloque y terquear los pernos como lo indique los manuales del fabricante. Para acceder al termostato, es necesario soltar la manguera superior del radiador y sacar la tapa del termostato soltando los pernos o tuercas que fijan al bloque, cambiando la empaquetadura por una nueva. Una fuga en el radiador requiere una reparación en un taller especializado, verificar siempre el estado de la tapa del radiador.
Una fuga en los sellos de agua del bloque requiere de la colocación de sellos nuevos, para lo cual se debe sacar los que presentan fallas, perforándolos y metiendo un destornillador con el que se hace palanca.
Una fuga en la empaquetadura de la culata requiere inmediata atención. Si la fuga es solo al exterior y no afecta el funcionamiento del motor, puede esperar para su reparación por algún tiempo, pero si se sospecha una fuga hacia los cilindros por exceso de humo de escape blanco o dificultades para partir en frio, se recomienda cambiar la empaquetadura y revisión de las caras de la culata y el block por si existiese alguna deformación o daño. (Muñoz, 2009)
Suciedad en el circuito
32 También se debe lavar los conductos de refrigeración de la culata y el bloque de cilindros para sacar todo el óxido conjuntamente del radiador y las camisas de agua del motor, en caso de que se usó solo agua común.
Para evitar la formación de óxido por ataque del agua en las paredes de la camisa o los conductos de refrigeración, se puede usar químicos como inhibidores o líquidos antioxidantes; que se los emplea según las instrucciones del fabricante. (Castro M. d., Nueva enciclopedia del automovil, 2000)
Deficiencias del sistema de refrigeración
Podemos citar algunas de las principales anomalías que podrían afectar o reducir la capacidad del sistema de refrigeración. Estas se pueden definir en deficiencias externas y deficiencias por componente.
2.4.3.2. Deficiencia externa
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2.4.3.3. Deficiencias por componentes del sistema de refrigeración
Son comunes también las modificaciones efectuadas al sistema, que hacen que disminuya su capacidad original de refrigeración. Entre estas podemos encontrar, colocación de aspas de ventilador de menor capacidad o tamaño, colocación de polea de ventilador con mayor diámetro, colocación de bombas de agua alternas o de bajo flujo. Es muy común encontrar en el mercado aspas de ventilador plásticas que funcionan muy bien, pero que al paso de un tiempo pierden su forma original, pierden alguna de sus aspas o incluso las colocan al revés, disminuyendo su capacidad de refrigeración del radiador.
En el mercado se pueden encontrar fácilmente componentes que mejoran el rendimiento del sistema de refrigeración, como bombas de alto flujo, ventiladores de más aspas o incluso ventiladores adicionales, poleas de menor diámetro de aluminio, etc., pero antes de efectuar alguna modificación es bueno revisar el sistema original y verificar su funcionamiento porque si se encuentran en buen estado debería funcionar perfectamente bajo cualquier condición.
2.4.4. PERNOS DE LA CULATA Y BLOCK DE MOTOR
El incremento de las cargas dinámicas y térmicas y la necesidad de disminuir el peso de los componentes, aumento las exigencias de todos los vínculos de unión internos del motor.
Diversos trabajos de investigación concluyeron en que la mayor resistencia a la fatiga se logra con un tornillo ajustado ligeramente sobrepasando el limite elástico del material, es decir, dentro del rango plástico donde se produce una deformación permanente del mismo. (Muñoz, 2009)
Forma de apriete e identificación de pernos culata y block de motor
34 u luego dar el apriete según la tabla universal de torque estándar, para lo cual se utilizan llaves dinamométricas o de torque.
Cuando se realiza un apriete angular hay que cambiar los tornillos cada vez que se abra el motor. (Santander)
Tabla 1. Apriete de pernos
(Santander)
Tabla 2. Identificación de pernos
35
Tabla 3. Identificación de torque
(Santander)
2.4.4.1. Importancia del reemplazo de pernos de sujeción de la culata y el block
Los tornillos de culata son elementos constructivos del sistema de unión de la culata que generan la presión superficial necesaria y la transmiten a los componentes del motor. Para ello, los tornillos de culata deben atornillarse siguiendo unos procedimientos de apriete y un orden de apriete perfectamente determinados.
Luego de la remoción de los tornillos de sujeción los tornillos presentan una sección resistente menor ya que puede presentar estiramiento de hasta 2mm hasta llegar a su rotura al intentar volver reinstalarla con la carga original especificada.
36 Las roscas hembra (tuerca) en el block deben ser limpiadas y repasadas y se deberá repasar una grasa lubricante para garantizar una correcta medición del ángulo de ajuste. Lamentablemente en virtud de las severas condiciones de uso, con el transcurso del tiempo el acabado superficial de los tornillos se degrada por la acumulación de óxido, polvo, pegas, y otras sustancias extrañas. (Muñoz, 2009)
Figura 18. Orden de apriete de los pernos de sujeción de culata y block de motor
2.4.4.2. Conclusiones de fisuras por efecto de fallas en los pernos de sujeción de la culata y block
37
2.4.5. FALLAS POR JUNTAS ENTRE LA CULATA Y EL BLOCK
Las juntas entre la culata y el block del motor es importante para efectuar un cierre hermético. Es un componente integral del motor y se requiere para efectuar muchas funciones al mismo tiempo durante la operación de motor. La junta debe mantener el sello alrededor de la cámara de combustión a temperatura operativa y presión máxima. La junta debe sellar paso de aire, líquidos refrigerantes, la combustión, y el aceite del motor a su temperatura de funcionamiento respectiva y la presión generada. Los materiales y diseños empleados deben ser térmicamente y químicamente resistentes a los productos de combustión y los productos químicos diversos, refrigerantes y aceites usados en el motor.
Cuando esta está montada, la junta del cabezote y el block se convierte en una parte importante de la estructura total del motor. Es compatible con la cabeza del cilindro, junto con los componentes operativos. Este debe ser capaz de resistir las fuerzas dinámicas y térmicas que se transmiten desde la culata y el bloque. El tipo de aplicación del motor será el factor determinante en el diseño de la junta.
Cada aplicación requiere un diseño único de junta para satisfacer las necesidades específicas de funcionamiento del motor. Los materiales y diseños son resultados de pruebas de ingeniería con diversos metales, materiales compuestos y productos químicos en la junta que se destina a mantener las capacidades de sellado necesarias para la vida de un motor.
Los materiales más ampliamente utilizados son los siguientes:
Acero o acero inoxidable de diferentes grados y formas.
Materiales compuestos basados en fibra.
Grafito en varias densidades.
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2.4.5.1. Prevención de fallas de la junta de culata y block
Cuando se instala una junta entre la culata y el block de motor, los pernos de sujeción comprimen la junta ligeramente, permitiendo que el material suave de contacto en la junta se conforme a las pequeñas irregularidades de las superficies de la culata y la cubierta de block. Esto permite que la junta selle en frio para que no fugue refrigerante antes de que el motor encienda.
La habilidad de la junta para lograr un sellado en frio positivo, así como para mantener un sello duradero y libre de fugas depende de dos cosas: su habilidad inherente para mantener la torsión atreves del tiempo, y de la fuerza de prensado aplicado a los pernos de sujeción de la culata y el block que deben ser torqueados de acuerdo al fabricante. Pero incluso la mejor junta no puede soportar y mantener un sello seguro si los pernos de sujeción no han sido apretados adecuadamente.
La cantidad de torsión que se aplica a los pernos así como el orden en que se aprietan, determina como se distribuye la fuerza de apriete sobre la superficie de la junta.
Si un área de la junta se encuentra con alta presión, mientras que otra área no, puede causar que se presente una fuga por el punto que tiene menos presión. Por esto los pernos de la culata y el block deben apretarse en una secuencia especifica e igualmente a un valor específico para asegura el mejor sellado posible.
39
40 Para la realización de este proyecto de tesis se requiere la aplicación del método de investigación experimental, ya que vamos a diseñar, construir y a poner a prueba el banco de pruebas para la detección de fisuras en un bloque de motor.
El método de investigación experimental es usado principalmente en la producción de conocimientos, por lo general para describir algo de un proceso o sistema, ya que un experimento es una prueba o ensayo.
El proceso experimental requiere considerar tres momentos o pasos:
La planificación de experimentos o ensayo.
Realización o construcción del experimento, ensayo u objeto a estudiar.
Interpretación de resultados.
3.1 PLANIFICACIÓN DEL EXPERIMENTO O ENSAYO
Después de una introducción, estudio de los conceptos básicos, partes y funcionamiento del sistema de refrigeración, procedemos a la selección de los elementos y componentes que se planifico previo a la construcción y montaje del banco de pruebas de detección de fisuras en el block de motor.
Para el diseño del banco de pruebas que se planteó: primero partir del elemento que en este caso se analizara como es el Block de un motor de cuatro cilindros de una camioneta Mazda 1600 .
3.1.1. SELECCIÓN DE MATERIALES PARA LA CONTRUCCION DEL BANCO DE PRUEBAS
Para la construcción del banco de pruebas se escogieron materiales de acuerdo a bancos de pruebas similares, ya que son los materiales más adecuados para la realización de este tipo de trabajos como es la detección de fisuras. Los
41 materiales son de buena calidad, precios accesibles, de fácil manejo y compatibilidad con otros materiales necesarios para la construcción del banco de pruebas.
Al escoger estos materiales también nos enfocamos en que el banco de pruebas sea resistente, tenga una buena estética y que facilite la manipulación y trabajo a los estudiantes de la carrera de Ingeniería automotriz que trabajaran en ella.
3.1.1.1. Estructura principal
Para la construcción de la estructura para soporte del block se ha podido observar en bancos similares para detección de fisuras en culatas que la estructura debe ser de un tubo cuadrado grande para soportar el peso de los bloques de motor y demás partes del banco de pruebas, por lo que se optó por realizar con un tubo cuadrado de acero inoxidable de 100 mm de lado y 3 mm de espesor, es un acero AISI 1018 que es un acero bajo en carbono y es muy manipulable por su alto contenido de manganeso es muy usado para construcción de maquinaria automotriz, línea blanca, etc. Este tubo presenta las características adecuadas por su rigidez, resistencia al pandeo y a esfuerzos por torsión.
42
Figura 21. Tubo de sección cuadrada de 100 mm
Tabla 4. Especificaciones tubo cuadrado
Origen: China
Tipo de acero: AISI 1018
Lado: 100 mm
Espesor: 3 mm
Longitud: 6000 mm
Extremos: Cuadrados
43
Cálculo de resistencia de la mesa principal
Para la resistencia de los elementos con sección cuadrada se utilizó la siguiente información de los tubos de sección cuadrada que se encuentra en el mercado nacional proporcionada por la industria del acero METÁLICO:
Tabla 5. Propiedades de las secciones cuadradas en perfiles de acero
(METALCO)
Para determinar el factor de seguridad de las deslizaderas se realizará el mismo procedimiento que el utilizado en el cálculo de la resistencia de los travesaños. La siguiente figura indica las propiedades de las secciones cuadradas de 100 x 100 mm.
El espesor del perfil es de 3 mm, para lo cual se realiza el procedimiento de interpolación descrito anteriormente. Los resultados se encuentran detallados junto a la figura de la sección, más adelante.
44
Tabla 6. Tabla de interpolación Espesor
(mm) Sy (cm
3)
1.8 5.04
2 X
2.37 6.5
El valor a encontrar, x, se determina con la siguiente ecuación:
( ) [3.1]
cm3
Figura 22. Propiedades de las secciones cuadradas en perfiles de acero
(METALCO)
45 Material: Acero ASTM
Sección: Cuadrado 100 x 100 mm Espesor: 2 mm
Longitud: 1000 mm = 39.37 pulg (Syy): 34.58 cm3
Se tiene el siguiente estado de cargas y diagramas de fuerza cortante y momento flector:
Figura 24. Diagrama de fuerza cortante y momento flector para el perfil de 100x100 mm
Dado el momento flector máximo de 0.97 klb-pulgada y con un módulo de elasticidad transversal de 0.3966 pulg3, calculamos el esfuerzo al que el travesaño se encuentra sometido, de la siguiente manera:
46
Por lo tanto, el factor de seguridad del elemento se determina de la siguiente manera:
[3.3]
Dónde:
Sy : Es el esfuerzo de fluencia
: Es el esfuerzo admisible
Entonces el factor de seguridad será:
El factor de seguridad al cual trabaja el travesaño es de 240. Este valor indica que los tubos elegidos para los soportes se encuentran sobre dimensionados para la cargas exigentes. En consecuencia, las columnas y vigas de sección cuadrada de 100x100x3 mm van a resistir completamente las exigencias solicitadas del proyecto. El resultado expuesto por este valor de factor de seguridad difiere del valor generado en la solución informática. La razón de esta diferencia es el método utilizado para el cálculo. Mientras que la simulación utiliza un procedimiento de elementos finitos, el proceso utilizado manualmente analiza la estructura como un solo cuerpo rígido. Los elementos finitos generan un cálculo discreto entre elementos infinitesimales. Es este método, el que da una mayor confianza al diseñador.
