UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE
AMORTIGUADOR ELECTROMAGNÉTICO PARA LA
SUSPENSIÓN DE UN AUTOMÓVIL.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
JONATHAN PATRICIO VITERI TULCANAZA
DIRECTOR: ING. EDWIN TAMAYO MSc.
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1718810706
APELLIDO Y NOMBRES: Jonathan Patricio Viteri Tulcanaza
DIRECCIÓN: Colinas del Norte, Mz 51 Casa N80-55
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 022495699
TELÉFONO MOVIL: 0984424114
DATOS DE LA OBRA
TITULO: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN
SISTEMA DE AMORTIGUADOR
ELECTROMAGNÉTICO PARA LA
SUSPENSIÓN DE UN AUTOMÓVIL.
AUTOR O AUTORES: Jonathan Patricio Viteri Tulcanaza
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN:
10-03-2017
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN:
Ing. Edwin Ramiro Tamayo Ávalos MSc.
PROGRAMA
PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: Mínimo 250 palabras El presente trabajo de titulación, cuenta con
información del diseño y construcción de un
sistema de amortiguador electromagnético
que será adaptado al amortiguador de un
vehículo liviano Nissan Sentra B13 / 1996.
Para la construcción de este dispositivo
tecnológico se realizó un estudio de las
diferentes áreas que intervienen dentro del
desarrollo del amortiguador
electromagnético, donde interviene la
construcción del sistema de potencia del
electroimán, el mismo que dependerá de
varios parámetros para su construcción como
alambre para bobinados que se utilizará y la
cantidad de espiras o vueltas de las cuales
este constituido según el espacio con que se
cuente dentro de la cámara de amortiguación.
Para la elaboración del líquido
magnetoreológico se recolectó cierta
cantidad de partículas ferromagnéticas. Estas
partículas deben ser de contextura muy fina y
se puede conseguir de entre los diferentes
procesos de arranque de viruta que se tiene
en la industria en una rectificadora, según la
viscosidad y pruebas de sedimentación se
elegirá el aceite base que contendrá al
material ferromagnético con el objetivo de
conseguir un fluido idóneo y provechoso para
el trabajo de amortiguación que se pretende
obtener al final de la construcción.
El sistema que controlará el paso de corriente
consistirá en un circuito de disparo de un
transistor, este tomará la señal referencial
proveniente de un sensor de posición (final de
carrera), el cual pasará de una posición de
ON/OFF, mediante un accionamiento
mecánico, permitiendo o no el paso de la
corriente máxima o mínima de 12V o 0V.
provenientes desde la fuente que en este
caso se utilizará la batería del automóvil.
El armado y adaptación del dispositivo
tecnológico, se realizó en el amortiguador de
la parte delantera izquierda de la unidad, con
la finalidad de realizar las pruebas necesarias
de amortiguación y determinar una
comparación entre un amortiguador
convencional y un amortiguador
electromagnético.
PALABRAS CLAVES: Palabras Claves: Suspensión,
electromagnética, magnetoreológica,
DEDICATORIA
El presente trabajo de titulación lo dedico a mis padres Patricio Viteri y Luz Tulcanaza que, gracias a sus enseñanzas, apoyo y valores inculcados durante toda mi vida, he logrado uno más de mis logros estudiantiles.
A mi hermano Alexander Viteri que es la persona que más admiro y por su apoyo incondicional durante toda mi vida.
Una mención especial para mi novia Belén Valverde por convertirse en un soporte más en mi vida y estar a mi lado cumpliendo un logro más, juntos.
AGRADECIMIENTOS
A todas aquellas personas que hicieron este logro posible, un paso más en el recorrido de la vida, que sin duda no será el último.
Agradezco a toda mi familia en general, por haber brindado su apoyo de todas las maneras posibles.
A mis amigos quienes se convirtieron en mi segunda familia con quienes se compartió momentos inolvidables dentro y fuera de la universidad
Agradezco a mis profesores, quienes supieron impartir sus conocimientos en el transcurso de mi recorrido estudiantil y haber brindado una mano amiga en el proceso de formación de un excelente profesional.
En especial al Ing. Edwin Tamayo por su ayuda y consejos para el desarrollo de este proyecto, quien supo demostrar una gran amistad y un gran profesional.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN………... 1
ABSTRACT………. 2
1. INTRODUCCIÓN ... 3
2. METODOLOGÍA ... 13
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 15
3.1 DISEÑO DEL ELECTROIMÁN PROTOTIPO ... 15
3.1.1 CÁLCULOS PARA EL ELECTROIMÁN PROTOTIPO. ... 18
3.2 DISEÑO DEL ELECTROIMAN FINAL ... 21
3.2.1 CÁLCULOS PARA ELECTROIMÁN FINAL. ... 22
3.3 ELABORACIÓN DEL LÍQUIDO MAGNETOREOLÓGICO ... 25
3.3.1 SELECCIÓN DE MATERIALES PARA LÍQUIDO MAGNETOREOLÓGICO ... 28
3.4 DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL DEL AMORTIGUADOR ELECTROMAGNÉTICO ... 33
3.4.1 FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DE CONTROL ... 34
3.5 DISEÑO DE SOPORTE PARA ADECUACIÓN DEL SENSOR DE POSICION. ... 36
3.6 CONSTRUCCIÓN. ... 38
3.6.1 CONSTRUCCIÓN DE LA BOBINA ELECTROMAGNÉTICA... 39
3.6.2 ELABORACIÓN DEL LÍQUIDO FERROMAGNÉTICO ... 40
3.6.3 CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL. ... 42
3.6.4 CONSTRUCCIÓN DEL SOPORTE PARA SENSOR DE POSICIÓN (FIN DE CARRERA). ... 44
ii
3.7.1 AMORTIGUADOR CONVENCIONAL ... 47
3.7.2 AMORTIGUADOR ELECTROMAGNÉTICO ... 49
3.8 ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 52
3.8.1 ANÁLISIS DE LAS PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DEL AMORTIGUADOR CONVENCIONAL Y ELECTROMAGNÉTICO. ... 52
3.8.2 ANÁLISIS DE FUNCIONAMIENTO ENTRE EL AMORTIGUADOR CONVENCIONAL Y ELECTROMAGNÉTICO. (SIN PASAJERO) ... 55
3.8.3 ANÁLISIS DE FUNCIONAMIENTO DE AMORTIGUADOR CONVENCIONAL Y ELECTROMAGNÉTICO. (CON PASAJERO). ... 59
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. ... 62
4.1 CONCLUCIONES: ... 62
4.2 RECOMENDACIONES: ... 63
5. BIBLIOGRAFÍA ... 64
iii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Especificaciones de electroimán prototipo ... 16
Tabla 2. Resultado de parámetros calculados de electroimán prototipo ... 20
Tabla 3. Especificaciones de eje pistón del amortiguador Nissan Sentra ... 21
Tabla 4. Especificaciones del núcleo del electroimán ... 21
Tabla 5. Características de electroimán final ... 22
Tabla 6. Características de electroimán final ... 24
Tabla 7. Prueba de sedimentación – con partículas del primer filtrado ... 26
Tabla 8. Prueba de sedimentación de partículas filtradas con aspiradora ... 28
Tabla 9. Tiempos de sedimentación de material ferromagnético en aceites base 28 Tabla 10. Densidad de aceites de prueba. ... 29
Tabla 11. Densidad de elementos que conforman el fluido ferromagnético. ... 30
Tabla 12. Datos de la esfera de vidrio. ... 31
Tabla 13. Tiempos de caída de bola de cristal en Aceite SAE 90 ... 32
Tabla 14. Tabla de variación de viscosidad ... 33
Tabla 15. Elementos utilizados en el diseño de la placa y el sistema de control electrónico ... 34
Tabla 16. Resumen de valores obtenidos de las gráficas, en respuesta de mesa de vibración - amortiguador convencional con y sin pasajero ... 53
Tabla 17. Resumen de valores obtenidos de las gráficas, en respuesta de mesa de vibración - amortiguador electromagnético con y sin pasajero. ... 54
iv
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Estructura del amortiguador magnetoreológico ... 5
Figura 2. Campo de velocidades en un fluido magnético. ... 8
Figura 3. Oscilación amortiguada ... 10
Figura 4. Funcionamiento de la suspensión – con y sin amortiguador de oscilaciones ... 11
Figura 5. Representación de oscilación amortiguada en un vehículo. ... 11
Figura 6. Esquema del núcleo de electroimán... 16
Figura 7. Representación de la ley de la mano derecha ... 16
Figura 8. Esquema de adaptación de núcleo del electroimán. ... 17
Figura 9. Eje pistón de Amortiguador delantero Renault Logan ... 17
Figura 10. Esquema de maquinado de núcleo de electroimán. ... 18
Figura 11. Esquema de grilón a utilizar en el recubrimiento del núcleo del electroimán. ... 18
Figura 12. Proceso de maquinado de núcleo de electroimán ... 22
Figura 13. Electroimán Final ... 25
Figura 14. Secado de partículas ferromagnéticas ... 25
Figura 15. Malla de metal (0.2mm) ... 26
Figura 16. Malla de fibra vista en microscopio... 27
Figura 17. Filtrado de partículas en aspiradora ELECTROLUX NEO16 ... 27
Figura 18. Recolección de partículas filtradas con un imán ... 27
Figura 19. Tipos de aceites utilizados. ... 27
Figura 20. Toma de tiempos de recorrido de bola de vidrio en Aceite SAE90 ... 31
Figura 21. Fluido magnetoreológico aplicado el campo magnético proporcionado por electroimán final... 32
Figura 22. Modelación de circuito en CIRCUITO ISIS – PROFESSIONAL ... 33
Figura 23. Simulación sensor de posición no accionado ... 35
Figura 24. Simulación sensor de posición accionado. ... 35
Figura 25. Caja para placa de circuito de control ... 36
Figura 26. Esquema del soporte para accionamiento del sensor. ... 37
Figura 27. Esquema de topes para accionamiento de sensor. ... 37
Figura 28. Amortiguador Nissan Sentra B13/1996 ... 38
Figura 29. Perforación de amortiguador ... 38
Figura 30. Corte parte superior del amortiguador ... 38
Figura 31. Elementos internos del amortiguador Nissan Sentra B13/1996 ... 39
v
Figura 33. Electroimán terminado ... 40
Figura 34. Pruebas de electroimán con circuito en protoboard ... 40
Figura 35. Recolección de líquido original de amortiguación... 40
Figura 36. Componentes para la mezcla de líquido ferromagnético ... 41
Figura 37. Mezcla de componentes para el líquido ferromagnético ... 42
Figura 38. Liquido Magnetoreológico ... 42
Figura 39. Ruteo de circuito eléctrico de sistema de control. ... 43
Figura 40. Vista en 3D de placa PCB ... 43
Figura 41. Vista posterior 3D de placa PCB ... 43
Figura 42. Control de sistema de suspensión electromagnética. ... 44
Figura 43. Soporte circular de apriete. ... 44
Figura 44. Eje regulador ... 44
Figura 45. Conjunto soporte circular de apriete y eje regulador. ... 45
Figura 46. Soporte instalado en amortiguador. ... 45
Figura 47. Pruebas con amortiguador convencional. ... 46
Figura 48. Pruebas con amortiguador electromagnético ... 46
Figura 49. Respuesta 1 de mesa de vibración - amortiguador convencional sin pasajero ... 47
Figura 50. Respuesta 2 de mesa de vibración - amortiguador convencional sin pasajero. ... 47
Figura 51. Respuesta 3 de mesa de vibración - amortiguador convencional sin pasajero. ... 47
Figura 52. Respuesta 1 de mesa de vibración - amortiguador convencional con pasajero. ... 48
Figura 53. Respuesta 2 de mesa de vibración - amortiguador convencional con pasajero. ... 48
Figura 54. Respuesta 3 de mesa de vibración - amortiguador convencional con pasajero ... 49
Figura 55. Respuesta 1 de mesa de vibración - amortiguador electromagnético sin pasajero. ... 49
Figura 56. Respuesta 2 de mesa de vibración - amortiguador electromagnético sin pasajero. ... 50
Figura 57. Respuesta 3 de mesa de vibración - amortiguador electromagnético sin pasajero. ... 50
Figura 58. Respuesta 1 de mesa de vibración - amortiguador electromagnético con pasajero. ... 51
Figura 59. Respuesta 2 de mesa de vibración - amortiguador electromagnético con pasajero. ... 51
vi
Figura 61. Comparación de ondas en respuesta a funcionamiento de amortiguador convencional con y sin pasajero. ... 53
Figura 62. Comparación de ondas en respuesta a funcionamiento de amortiguador convencional con y sin pasajero. ... 55
Figura 63. Representación del funcionamiento amortiguador Convencional vs electromagnético (sin pasajero) ... 55
Figura 64. Pesos del vehículo Nissan Sentra ... 56
Figura 65. Esquema de resultados por cálculo de amortiguación convencional y electromagnético sin pasajero ... 58
Figura 66. Representación del funcionamiento amortiguador
Convencional vs electromagnético (con pasajero) ... 59
Figura 67. Esquema de resultados por cálculo de amortiguación
vii
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
Anexo 1. Proceso de armado en automóvil. ... 66
Anexo 2. Obtención del fluido magnetoreológico ... 67
Anexo 3. Muestra de pruebas tomadas en mesa de vibración. ... 68
Anexo 4. Ficha técnica Nissan Setnra 1996 ... 70
1
RESUMEN
El presente trabajo de titulación, cuenta con información del diseño y construcción de un sistema de amortiguador electromagnético que fue adaptado al funcionamiento de un amortiguador convencional de un vehículo liviano. Para la construcción de este dispositivo tecnológico se realizó un estudio de las diferentes áreas que actúan en el desarrollo del amortiguador electromagnético, donde interviene la construcción del sistema de potencia del electroimán, que dependerá de varios parámetros en su construcción como es la calidad y diámetro del núcleo, el tipo de alambre para bobinados que se utilizó y la cantidad de espiras de las cuales este constituido, según el espacio dentro de la cámara de amortiguación.
Para la elaboración del líquido magnetoreológico se recolectó cierta cantidad de partículas ferromagnéticas. Estas partículas deben ser de contextura muy fina, se las puede conseguir en los procesos de arranque de viruta, (rectificadora). Según la viscosidad y pruebas de sedimentación, se eligió el aceite base que contuvo al material ferromagnético con el objetivo de conseguir un fluido provechoso para el trabajo de amortiguación que se pretende obtener.
El sistema que controla el paso de corriente consistió en un circuito de disparo de un transistor, que toma la señal referencial proveniente del sensor de posición (final de carrera), el mismo que pasará de una posición OFF a ON y viceversa, mediante un accionamiento mecánico, permitiendo o no el paso de voltaje mínimo o máximo que es de 0V a 14.2V cuando el vehículo este encendido, este voltaje proviene desde una fuente que en este caso se utilizó la batería del automóvil.
El armado y adaptación del dispositivo tecnológico, se realizó en el amortiguador de la parte delantera izquierda del vehículo, con la finalidad de realizar las pruebas necesarias de amortiguación y determinar una comparación entre un amortiguador convencional y un amortiguador electromagnético.
2
ABSTRACT
The present thesis work, has information on the design and construction of an electromagnetic shock absorber system that was adapted to the operation of a conventional shock absorber of a light vehicle. For the construction of this technological device, a study was made of the different areas that act in the development of the electromagnetic damper, which involves the construction of the power system of the electromagnet, which will depend on several parameters in its construction such as the quality and diameter of the Core, the type of winding wire used and the number of windings of which it is formed, depending on the space inside the damping chamber.
The number of ferromagnetic particles were collected for the preparation of the magnetorheological liquid. These particles must be of very fine texture, they can be obtained in the processes of starting of chip, (rectifier). The viscosity and sedimentation tests, the base oil that contained the ferromagnetic material was chosen to obtain a fluid useful for the intended work of damping.
The system controlling the current flow consisted of a trip circuit of a transistor, which takes the reference signal from the position sensor (limit switch), which will switch from an OFF to ON position and vice versa, by means of a drive Mechanical, allowing or not the passage of minimum or maximum voltage that is from 0V to 14.2V when the vehicle is on, this voltage comes from a source that in this case was used car battery.
The assembly and adaptation of the technological device was made in the shock absorber of the left front of the vehicle, to perform the necessary tests of damping and to determine a comparison between a conventional shock absorber and electromagnetic.
.
3
1. INTRODUCCIÓN
El presente trabajo de titulación centra su objetivo general en el desarrollo e implementación de un mecanismo de amortiguador electromagnético, mediante el estudio, diseño y la adaptación de dicho sistema al funcionamiento de la suspensión convencional de un automóvil ligero.
Debido a la incomodidad que se puede encontrar en los automóviles al realizar la acción de curvar, cambiar de dirección o atravesar un bache de manera regular o brusca a altas velocidades, la suspensión tipo convencional tiende a desequilibrarse en su disposición principal, provocando cambios bruscos en la estabilidad del vehículo y aumentando la probabilidad de volcamiento.
Para analizar esta problemática se puso interés en la investigación, análisis y reconocimiento de los elementos incorporados a los sistemas de amortiguación activos y semiactivos actuales, ya que estos permiten una mejora de las prestaciones dinámicas y confort de un vehículo (Benavente, 2010). Con el fin de alcanzar el objetivo general, se plantea los siguientes objetivos específicos: Analizar e investigar las características de funcionamiento del sistema de suspensión electromagnética basados en fluidos magnetoreológicos.
Diseñar y seleccionar los elementos adecuados para la construcción del amortiguador electromagnético y garantizar su correcto funcionamiento.
Implementar una unidad de control, para el accionamiento del amortiguador electromagnético.
Realizar pruebas de funcionamiento del amortiguador electromagnético instalándolo en un automóvil liviano para la puesta a punto y así comprobar su correcto funcionamiento, realizando el análisis y comparación con el amortiguador convencional.
En estos tiempos la tecnología avanza cada día y la perspectiva de los fabricantes por mejorar el rendimiento y eficiencia de los automóviles, no solo se han centrado en la evolución de motores, sino también en su seguridad (Fernández Viveros, 2012).
Dentro de los sistemas de seguridad ya integrados en el automóvil se ha mostrado mayor énfasis en los llamados sistemas de seguridad activa, que son aquellos elementos que ayudan a proporcionar una mayor eficiencia y estabilidad al vehículo cuando se encuentra en marcha, con el objetivo de evitar en lo posible un accidente (Fernández Viveros, 2012).
4
La función de amortiguación dentro del sistema de suspensión en un automóvil es de gran importancia para realizar la acción de conducir, esto debido a que básicamente el sistema de amortiguación controla y amortigua las sacudidas que se pueden producir en un trayecto, con el objetivo de que exista una mejor calidad de contacto rueda – terreno (Haldenwang, 2010).
Debido a esto, la acción de amortiguación idónea para el elemento amortiguador debe encontrar un equilibrio entre la comodidad dada por el sistema de suspensión y la calidad de suspensión (Haldenwang, 2010).
Este proyecto de investigación pretende dar a conocer el diseño y adaptación del sistema de amortiguación electromagnética a un sistema de amortiguación convencional de un vehículo liviano, tratando de adecuar los elementos y el funcionamiento de la suspensión del vehículo a la forma de trabajo de la suspensión electromagnética.
El sistema de suspensión electromagnética será adaptado a los componentes de la suspensión delantera del lado izquierdo del vehículo liviano, con elementos activos y pasivos conjuntamente con un amortiguador denominado electromagnético.
La diferencia que poseerá este sistema con los sistemas convencionales es el líquido o fluido que se denominará magnetoreológico el cual circula dentro del vástago o cámara de amortiguación del elemento amortiguador, como características principales del fluido, se puede mencionar que posee aproximadamente un 40% de partículas metálicas (ferromagnéticas) y para completar el resto de la mezcla se compone por un aceite base y surfactantes. Dentro de la estructura del amortiguador electromagnético también está constituido por un conjunto de bobina electromagnética, la cual dependerá directamente de la intensidad de corriente que ingrese al sistema (bobina), para desarrollar un campo magnético idóneo, haciendo que las partículas ferromagnéticas se orienten en relación a las disposición de las líneas magnéticas del electroimán, convirtiendo el fluido magnetoreológico en una sustancia con características de viscosidad superiores a la sustancia que se tiene inicialmente.
La variación de valores en lo que respecta a la densidad y viscosidad del fluido se da al momento de aplicar el campo magnético idóneo y de calidad proporcionado por el electroimán.
Al cumplir con esta característica de funcionamiento, será notorio el cambio en la dureza del amortiguador al estar expuesto a las exigencias de tipo de carretera o tipo de conducción (Benavente, 2010).
5
Figura 1. Estructura del amortiguador magnetoreológico (Benavente, 2010).
En el desarrollo de la bobina electromagnética es necesario el cálculo de varios factores que incidirán en el funcionamiento del electroimán, para ello se utilizarán las ecuaciones de la [1] a la [6], que permiten obtener datos en parámetros de potencia y cantidad de campo magnético que puede llegar proporcionar el electroimán.
Primeramente, se calcula la fuerza Magnetomotriz o el número de amperes – vuelta, donde se necesita la cantidad de intensidad que recorre a través del electroimán, este valor depende directamente de la cantidad de voltaje que se aplique desde la fuente.
Fuerza Magnetomotriz:
𝑀 = 𝑁 ∗ 𝐼 [ 1]
Donde:
𝑀: Fuerza Magnetomotriz (Amperes – Vuelta) 𝑁: Número de espiras o vueltas
𝐼: Intensidad (A)
Potencia desarrollada:
6
Donde:
𝑃: Potencia desarrollada (W) 𝐼: Intensidad (A)
𝑉: Voltaje (V)
Para el cálculo del flujo magnético, según la ley de Ohm, análogamente se puede considerar como la intensidad que es la cantidad de líneas magnéticas que se encuentran presentes en el circuito de bobina electromagnética, se lo expresa de la siguiente manera.
Flujo magnético:
ɸ = 𝑀 𝑅
[ 3]
Donde:
ɸ = Flujo (Líneas magnéticas)
𝑀 = Fuerza Magnetomotriz (Amperes – vuelta) 𝑅 = Reluctancia (Amperio – vuelta / weber)
La reluctancia magnética [𝑅], de un material se define como la oposición que pueden presentar los materiales a la creación de las líneas magnéticas, cabe mencionar que cada material con que se trabaje tiene diferentes propiedades de resistencia. Para el cálculo de la reluctancia de un circuito magnético se utiliza la ecuación [4]
𝑅 = 𝑙 µ ∗ 𝐴
[ 4]
Donde:
𝑅 = Reluctancia (Amperio – vuelta / weber) 𝑙 = Longitud (m)
µ = Permeabilidad magnética
𝐴 = Área de la sección de la bobina (m)
7
igual al producto entre la permeabilidad magnética relativa [µ𝑟] y la permeabilidad magnética del vacío [µ0]. (Dawes, 1981)
µ = µ𝑟∗ µ0 [ 5]
Donde:
µ = Permeabilidad.
µ0 = Permeabilidad magnética del vacío. µ𝑟 = Permeabilidad magnética relativa.
• La permeabilidad magnética de vacío [µ0] se la conoce también como constante magnética y se define como:
µ0 = 4𝜋 ∗ 10−7𝑁𝐴−2= 1.257𝑃𝑒𝑟𝑚𝑠
𝑐𝑚3
• En este caso el valor de la permeabilidad magnética relativa [µ𝑟] depende del material que se utiliza para el núcleo del electroimán, en el desarrollo de la bobina se utiliza un núcleo de hierro que posee las siguientes propiedades magnéticas.
𝑃𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎 𝑑𝑒𝑙 ℎ𝑖𝑒𝑟𝑟𝑜 = 200
Inducción magnética:
Para el cálculo de la inducción magnética se obtiene cuando se divide las líneas magnéticas para el área del núcleo del electroimán (Pozueta, 2014).
𝐵 =ɸ 𝐴
[ 6]
Donde
𝐵: Inducción magnética (Líneas / 𝑐𝑚2). ɸ: Número de líneas
𝐴: Área del núcleo del electroimán (𝑚2).
Materiales inteligentes
8
interpretar la información que proviene del estímulo para reaccionar de una forma adecuada, en tiempos inmediatos y exactos (Proaño Mejía Ruben Afredo, 2011).
• Fluidos Magnetoreológicos
Son fluidos inertes, que comúnmente pueden ser encontrados como aceites, siliconas o minerales con partículas en suspensión. Se los denomina magnetoreológicos debido a que estos fluidos reaccionan al aplicar un estímulo externo que en este caso es un campo magnético. Las partículas en suspensión que poseen los líquidos magnetoreológicos son de carácter ferromagnético con un tamaño aproximado de 0.05 µm a 0.08 µm en proporciones adecuadas de concentración. Los fluidos magnetoreológicos suelen tener diferentes características al momento de estar bajo la influencia o ausencia de un campo magnético, aumentando o no la viscosidad del fluido para realizar el trabajo específico por el cual fue creado (Proaño Mejía Ruben Afredo, 2011).
En la figura 2. Se observa el efecto que se produce ante la presencia de un campo magnético sobre un campo de velocidades de un fluido magnetoreológico.
Figura 2. Campo de velocidades en un fluido magnético. (Benavente, 2010)
Este tipo de compuestos magnetoreológicos también contienen surfactante (elemento que disminuye la tensión superficial de un líquido), con el objetivo de estabilizar la mezcla. El tipo de estructura de partículas limita el movimiento del fluido y consecuentemente existe un incremento en la viscosidad, así como también un aumento en la resistencia en el trabajo de suspensión.
9
Dentro de los cálculos que se realiza para la determinación de la viscosidad de los fluidos, se toma en consideración, realizar mediciones en los diferentes estados que puede adoptar el fluido, para ello se aplicó un experimento basado en la ley de Stokes, en donde a través de la caída de una bola que se mueve en un fluido viscoso, actúa una fuerza resistente que se opone al movimiento. La variación de la viscosidad se fue determinando de acuerdo a la composición de las partículas ferromagnéticas que se agregó proporcionalmente a la cantidad de líquido que se utilizó.
La ecuación de la viscosidad según la ley de Stokes:
Ƞ =2𝑟
2∗ 𝑔(𝑝𝑒 − 𝑝𝑓)
9𝑣
[ 7]
Donde:
𝑟: Radio (m)
𝑔: Gravedad (m/𝑠2).
𝑝𝑒: Densidad de la bola de cristal (kg/𝑚3) 𝑝𝑓: Densidad del fluido (kg/𝑚3).
𝑣: Velocidad (s).
Para el cálculo de las densidades se utiliza la ecuación [8]:
𝜌 =𝑚 𝑉
[ 8]
Donde:
𝜌: Densidad (kg/𝑚3).
𝑚: Masa (kg) 𝑉: Volumen (𝑚3).
Dentro del cálculo de la densidad de la esfera de cristal se debe obtener el dato del volumen de la misma, donde se aplica la ecuación [9].
𝑉𝑒 =
4 3𝜋𝑟
2 [ 9]
Donde:
𝑉𝑒: Volumen de la esfera (𝑚3)
𝜋: Pi
10
Para el cálculo de la velocidad de la esfera dentro del fluido se aplica la ecuación [10].
𝑣 =𝑑 𝑡
[10]
Donde:
𝑣: Velocidad (m/s)
𝑑: Distancia de desplazamiento (m) 𝑡: Tiempo (s)
Oscilación y ondas
Para proceso de pruebas de funcionamiento, se acogió la opción de utilizar una mesa de vibraciones, que a través de movimientos vibratorios a la suspensión simula el movimiento que puede presentarse en carretera. La respuesta al funcionamiento dada por la mesa de vibración es representada en ondas u oscilaciones.
La oscilación consiste en una variación o fluctuación en un determinado tiempo, esta puede considerarse como un movimiento que se repite de una posición a otra en relación a un punto central o también llamado posición equilibrada.
• Oscilación amortiguada
La mesa de vibración trabaja con la oscilación amortiguada que tiene como característica que la amplitud disminuye exponencialmente con relación al tiempo en que se desarrolla la prueba de amortiguación, esto quiere decir que, debido a las fuerzas de rozamiento o fricción que se encuentran en este sistema amortiguado, se consigue cantidades determinadas de energía calorífica, esta energía reduce el movimiento hasta provocar que el sistema se detenga.
En la figura 3 se detalla la característica de la curva de la oscilación amortiguada (José A. Gorri, 1994).
11
En la figura 4 se observa que la suspensión del vehículo es la encargada de absorber el golpe o la oscilación que se produce al momento de encontrar una irregularidad en el camino, con la finalidad de evitar que la masa suspendida por los resortes M2 haga contacto con la masa no suspendida M1.
Figura 4. Funcionamiento de la suspensión – con y sin amortiguador de oscilaciones
(Haldenwang, 2010)
Al momento de la compresión del conjunto suspensión, tras pasar por un obstáculo, los muelles ejercen presión para alejar la masa suspendida de la masa no suspendida, mientras que los amortiguadores minimizan las oscilaciones que se producen entre el chasis y el eje de suspensión (Haldenwang, 2010).
De acuerdo a las respuestas emitidas por la mesa de vibración se puede comprobar la gráfica de oscilación amortiguada, donde se aprecia que el decrecimiento de la amplitud o ancho de oscilación provoca la amortiguación del eje, haciendo frenar el movimiento de la rueda en ambas direcciones, en la figura 5 se observa la característica de onda amortiguada provocada por un vehículo con funcionamiento correcto de su sistema de suspensión (Haldenwang, 2010).
12
• Evaluación de la amortiguación del eje
Para la determinación del grado de amortiguación o la medida de amortiguación, se toma en consideración la ecuación [12].
D = d
2√k ∗ m
[11]
Donde:
𝐷: Grado de amortiguación o medida de amortiguación (adimensional), 𝑑: Constante de amortiguación (kg/s)
𝑘: Constante de muelle (N/m) 𝑚: Masa (kg).
En la teoría el grado de amortiguación se encuentra dentro de un rango de 0 a 1 y el valor que se muestra en el banco de pruebas es el resultado de varias magnitudes físicas, como son: el peso del vehículo, la constante del muelle y la constante de amortiguación (Haldenwang, 2010).
13
2. METODOLOGÍA
Con el fin de alcanzar el objetivo general y objetivos específicos planteados en este trabajo de titulación, se trató los sistemas de suspensión electromagnética (magnetoreológica) que ya se han integraron a los sistemas de suspensión automotriz, estableciendo la forma de funcionamiento del amortiguador, las ventajas frente a la suspensión convencional, las altas prestaciones que puede brindar a los ocupantes y al vehículo en general.
Para la selección del vehículo que se utilizó se tomó en cuenta parámetros de estructura, disposición y tipo de suspensión. Así mismo, se consideró la disponibilidad en el mercado local para la obtención de los materiales e implementos a utilizar. Con estos requisitos y siguiendo la estructura del amortiguador electromagnético se determinó cuáles fueron los componentes necesarios para lograr el funcionamiento del amortiguador y así buscar la manera correcta de adaptación a la suspensión convencional del vehículo.
Se aprovechó en gran mayoría los elementos que conforman el amortiguador que se va a modificar, así mismo se tomó gran atención al eje pistón, elemento interno del amortiguador, debido a que en este se realizó la adaptación del electroimán que constituye una de las partes principales en la estructura del amortiguador electromagnético.
Para el desarrollo del electroimán se acogió la idea de construir un electroimán prototipo con características ya establecidas, con el objetivo de tener una guía de construcción y a partir de este, hacer las correcciones respectivas y ajustes necesarios para obtener un electroimán final idóneo, dentro del proceso de construcción se realizó cálculos para determinar el desarrollo de potencia y la cantidad de campo magnético que proporcionó para el trabajo que se necesita, utilizando las ecuaciones de la [1] a la [7].
El electroimán fue compuesto por de un determinado número de espiras de cable esmaltado con características específicas, que fue adaptado en la parte inferior del eje pistón, tomando siempre en cuenta el limitado espacio con que se cuenta dentro de la cámara de amortiguación.
En la elaboración del fluido magnetoreológico se estudió los llamados materiales inteligentes, que constan de cierta cantidad de elementos para su constitución y funcionamiento, con el fin de recolectar uno de sus componentes se desarrolló un método empírico para la obtención del material ferroso mucho más fino del que se puede conseguir en la rectificadora. El material obtenido de este proceso será el componente principal del líquido magnetoreológico.
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En lo que respecta al sistema de control se diseñó una placa electrónica, la cual basa su funcionamiento en un circuito de disparo de transistor tomando como referencia la señal de un sensor de posición para alimentar al electroimán, el proceso consistió en elaborar un circuito de funcionamiento en el programa CIRCUITO ISIS – PROFESSIONAL, con el objetivo de realizar pruebas de funcionamiento para fabricar un placa PCB con circuito impreso, todo este conjunto ira dentro de una caja diseñada respectivamente para contener el circuito y cableado que irá sujeta al chasis del vehículo.
Por último, se diseñó y construyó un soporte regulable en donde irá instalado el sensor de posición tipo on / off (final de carrera), este va a ir sujeto al tubo carcasa del amortiguador, con el objetivo de impedir trabas en el funcionamiento.
Para la instalación de todo el equipo ya construido se buscó el sitio más adecuado para la colocación de la caja que contendrá al circuito, la caja irá sujeta en la parte delantera izquierda del guardafango con los respectivas cruce de cables que irán conectados a la batería, al amortiguador (electroimán) y al sensor de final de carrera para completar con la instalación.
En el proceso para las pruebas de funcionamiento se utilizará una mesa de vibraciones para la verificación del funcionamiento de suspensiones de vehículos, la misma que gracias al software con que trabaja nos brinda la posibilidad de obtener resultados de funcionamiento de la suspensión por medio de oscilaciones y ondas, figuras 4 y 5. (Sánchez, 2013)
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3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Para la implementación del amortiguador electromagnético se tomó en cuenta las características expuestas en la metodología, donde se considera la disponibilidad de un automóvil, en el que se pueda desarrollar la adaptación del nuevo sistema de suspensión y cumpla con parámetros detallados a continuación:
a) Tipo de suspensión de estructura sencilla, con alto poder de adquisición de repuestos en el mercado.
b) Tipo de suspensión con bajo coste de fabricación dentro de la industria automotriz
c) Tipo de suspensión con disposición en forma de un triángulo articulado, conformado por el bastidor, brazo inferior y el conjunto muelle – amortiguador.
De acuerdo a los parámetros escogidos y por disponibilidad propia, se utilizó un vehículo Nissan Sentra B13 / 1996, mismo que posee una suspensión delantera independiente, tipo McPherson, gracias al tipo de estructura de este sistema de suspensión y en especial del amortiguador que tiene características estructurales idóneas para el diseño y la adaptación de nuevos elementos facilita el desarrollo del proyecto.
Para el diseño se considera como parte fundamental el seguir el lineamiento que se detalla en los siguientes pasos:
a) Diseño del electroimán
b) Elaboración del líquido magnetoreológico
c) Diseño del sistema de control del amortiguador electromagnético d) Diseño del soporte para adecuación del sensor de posición.
3.1 DISEÑO DEL ELECTROIMÁN PROTOTIPO
Para el diseño del electroimán apropiado, que se utilizó en la constitución del amortiguador electromagnético, se eligió la opción de construir un electroimán inicial prototipo, con la finalidad de tener una guía de diseño estructural y para realizar los cálculos respectivos, con el propósito de realizar pruebas, correcciones y rectificaciones necesarias, a fin de obtener un conjunto de elementos óptimos en la construcción del electroimán final.
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Tabla 1. Especificaciones de electroimán prototipo
Diámetro grilón – D 18 (mm) Longitud núcleo – L 110 (mm) Diámetro núcleo – D1 15 (mm)
Número de Espiras 500
Cable conductor AWG 20(d=0.8118)
Capas de cable 3
Resistencia de la bobina 2.9 (Ω) (Bravo E, 2007)
En la figura 6 se observa un esquema del núcleo del electroimán prototipo que se pretende construir
Figura 6. Esquema del núcleo de electroimán
Cabe mencionar que un campo magnético es el resultado de electrones que se encuentran en movimiento, así mismo siempre que exista una corriente eléctrica circulando, habrá un flujo de líneas magnéticas, este campo magnético será siempre perpendicular a la corriente de donde se origina, la característica de la línea de fuerza consiste en una circunferencia completa y cerrada que se forma alrededor del conductor, pero la intensidad del campo magnético disminuye en proporción inversa al cuadrado de la distancia del punto de donde se origina. El sentido de las líneas magnéticas se puede determinar según la dirección del flujo de corriente, como se observa en la figura 7, aplicando la ley de la mano derecha, en donde si con el pulgar derecho se apunta la dirección de paso de corriente, el sentido del campo magnético será en dirección de los dedos de la mano derecha al cerrarse.
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El sentido y la forma de las líneas magnéticas, dependerá de la forma que se dé al electroimán, se escogió por darle una forma cilíndrica debido a que calza perfectamente en el sitio donde se lo intenta ubicar, la estructura del electroimán señalada en la figura 8 también permite un movimiento concéntrico en la cámara de amortiguación manteniendo alineadas las líneas magnéticas.
Figura 8. Esquema de adaptación de núcleo del electroimán.
El electroimán prototipo se construyó con los elementos de un amortiguador que ya no estaba en funcionamiento (amortiguador delantero Renault Logan), el mismo que se desmanteló para determinar las partes y específicamente el eje pistón como se ve en la figura 9 donde se trabajará el núcleo del electroimán.
Figura 9. Eje pistón de Amortiguador delantero Renault Logan
Dada la cantidad restringida de espacio que debe ocupar el núcleo, los arrollamientos y demás componentes que intervienen en la función de amortiguación y la adaptación del núcleo del electroimán, se realizó en el mismo eje pistón, donde se efectuó un maquinado en un torno, reduciendo su diámetro según las especificaciones de la Tabla 1.
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Figura 10. Esquema de maquinado de núcleo de electroimán.
Según las especificaciones tomadas para el núcleo prototipo fue necesario utilizar un material aislante que va ubicado entre el núcleo de acero y el cable conductor, el aislante que recubre al núcleo es un material plástico llamado Grilón, en la figura 11 se muestra el núcleo cubierto por un carrete de grilón de 18mm de diámetro y 110mm de largo, todo este conjunto fue montado en el torno.
Figura 11. Esquema de grilón a utilizar en el recubrimiento del núcleo del electroimán.
Dada la constitución de armado del electroimán fue necesario realizar un agujero que traviese a todo el eje, con un diámetro de 4mm de espesor, con el fin de que los cables del bobinado no interfieran en ningún punto con los demás elementos que conforman el conjunto de amortiguación, el detalle de perforación se encuentra detallado en la sección anexo 5 – eje pistón con calce de grilón. El cable conductor con que se trabajó el bobinado electromagnético fue de material cobre esmaltado número 20(d=0.8118), el cual es utilizado para la fabricación de bobinas.
3.1.1 CÁLCULOS PARA EL ELECTROIMÁN PROTOTIPO.
19
Es necesario mencionar que para la realización de cálculos en el electroimán se tomará como referencia el valor de voltaje de la batería cuando el automóvil se encuentre encendido, el voltaje a utilizar es de 14.1 voltios.
• Fuerza Magnetomotriz
Se aplicará la ecuación [1]
M = N ∗ I M = N ∗V
R
M = 500 vueltas ∗14.5V 2.9Ω
M = 2500 𝐴𝑚𝑝
𝑉𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎
• Potencia desarrollada:
Se aplicará la ecuación [2]
P = I ∗ V
P =14.5V 2.9Ω ∗ 12V
P = 72.5 Watts
• Flujo magnético:
Se aplicará la ecuación [3]
ϕ =M
R(líneas)
ϕ =2500
𝐴𝑚𝑝𝑒𝑟 𝑉𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎 0.024 𝑅𝑒𝑙𝑠 ϕ = 104166.66 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑠
• Reluctancia:
Dentro de la ecuación de reluctancia se debe calcular el valor de [µ], para ello se utiliza la ecuación [5]:
µ = µ𝑟∗ µ0
Donde:
µ0 = 4𝜋 ∗ 10−7𝑁𝐴−2 = 1.257𝑃𝑒𝑟𝑚𝑠
20
µ𝑟= 𝑃𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎 𝑑𝑒𝑙 ℎ𝑖𝑒𝑟𝑟𝑜 = 200
Con el valor de [µ], conocido se procede con el cálculo de la reluctancia, se aplicará la ecuación [4]
R = l µ ∗ A
R = 11cm
200 ∗ 1.257Perms cm3 ∗
π
4 ∗ (1.5cm)2
R = 0.0247 cm
2
Perms R = 0.0247 Rels
La densidad magnética o la inducción magnética se obtienen al dividir las líneas magnéticas para el área del núcleo del electroimán, se aplica la ecuación [6]
B = ϕ A
B = 104166.66 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑠 π 4 ∗ (1.5cm)2
𝐵 = 58946.27𝑙í𝑛𝑒𝑎𝑠 𝑐𝑚2
Los cálculos realizados se detalla un resumen de los resultados en la tabla 2:
Tabla 2. Resultado de parámetros calculados de electroimán prototipo
Parámetros calculados 14.5V
Intensidad 5 Amperios
Fuerza Magnetomotriz 2500 Amp / vuelta
Potencia 72.5 Watts
Flujo magnético 104166.66 líneas
Inducción magnética 58946.27 líneas/𝑐𝑚2
De acuerdo a los datos obtenidos en el cálculo del electroimán prototipo, muestran que las características magnéticas obtenidas no son buenas para el trabajo que se quiere desarrollar, los resultados obtenidos no resultaron ser convenientes debido a que la potencia tiene valores altos, lo que incide de una manera directa en la energía calorífica que provoca este electroimán.
21
De igual manera el problema de calentamiento del electroimán resulta un inconveniente para el aceite que se utilizará en la composición de líquido magnetoreológico debido a que este puede transmitir su calor y cambiar la viscosidad el mismo.
Para dar la solución, al problema de calor que genera el electroimán, se pensó en reducir la dimensión del núcleo del electroimán, haciéndolo el núcleo de menor diámetro que el prototipo, con la finalidad de obtener mayor número de espiras e incrementar la resistencia del bobinado y de igual manera aumentar la cantidad de líneas magnéticas para acrecentar la cantidad de magnetismo.
3.2 DISEÑO DEL ELECTROIMAN FINAL
Para la construcción del electroimán final se realizó ajustes en varios parámetros de diseño y construcción, con el fin de mejorar el rendimiento y eliminar problemas presentados en el electroimán prototipo, Se utilizó los componentes de la suspensión McPherson de un vehículo Nissan Sentra B13 / 1996.
Con el equipo y herramientas necesarias se realizó el desarmado del amortiguador delantero del lado izquierdo, con el fin de realizar la identificación de sus partes internas.
En este caso el núcleo del electroimán se trabajó en el eje pistón del amortiguador con las siguientes características detalladas en la tabla 3.
Tabla 3. Especificaciones de eje pistón del amortiguador Nissan Sentra
Eje pistón Medidas
Largo 370mm
Diámetro 18mm
Dadas las especificaciones y determinando el espacio que se puede utilizar dentro de la cámara de amortiguación se diseñó un núcleo con las siguientes especificaciones expuestas en la tabla 4, anexo 5 – Eje pistón con calce de grilón.
Tabla 4. Especificaciones del núcleo del electroimán
Núcleo del electroimán Medidas
Largo 125mm
Diámetro 13mm
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a) Torno en paralelo convencional. b) Placa de corte (insertos).
c) Porta placa (porta insertos).
d) Protección ocular (gafas con cierres laterales). e) Ganchos para retiro de viruta.
f) Guantes.
g) Ropa de trabajo adecuada.
Figura 12. Proceso de maquinado de núcleo de electroimán
Concluido el maquinado de núcleo y colocado el calce de grilón se procedió con el armado del electroimán obteniendo un elemento con las siguientes características expuestas en la tabla 5.
Tabla 5. Características de electroimán final
Diámetro 1(núcleo) 15 mm
Diámetro 2 (grilón) 18 mm
Longitud de núcleo 110 mm
Número Espiras 600
Cable Conductor AWG 23(ɸ=0.5733 mm)
Número de capas 3
Resistencia 3,2Ω
Según los datos obtenidos del electroimán final se procedió con el cálculo de las características de magnetización.
3.2.1 CÁLCULOS PARA ELECTROIMÁN FINAL.
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• Fuerza Magnetomotriz:
Se aplicará la ecuación [1]
M = N ∗ I M = N ∗V
R
M = 600 vueltas ∗14.5V 3.2Ω
M = 2718.75 𝐴𝑚𝑝
𝑉𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎
• Potencia desarrollada:
Se aplicará la ecuación [2]
P = I ∗ V
P =14.5V
3.2Ω ∗ 14.5V
P = 65.70 Watts
• Flujo magnético:
Se aplicará la ecuación [3]
ϕ =M
R(líneas)
ϕ = 2718.75
𝐴𝑚𝑝𝑒𝑟 𝑉𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎 0.024 𝑅𝑒𝑙𝑠 ϕ = 113239.58 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑠
• Reluctancia:
Dentro de la ecuación de reluctancia se debe calcular el valor de [µ], para ello se utiliza la ecuación [5]:
µ = µ𝑟∗ µ0
Donde:
µ0 = 4𝜋 ∗ 10−7𝑁𝐴−2 = 1.257
𝑃𝑒𝑟𝑚𝑠 𝑐𝑚3
24 Con el valor de [µ], conocido se procede con el cálculo de la reluctancia, se aplicará la ecuación [4]
R = l µ ∗ A
R = 11cm
200 ∗ 1.257Perms cm3 ∗
π
4 ∗ (1.5cm)2
R = 0.0247 cm
2
Perms R = 0.0247 Rels
La densidad magnética o la inducción magnética se obtienen al dividir las líneas magnéticas para el área del núcleo del electroimán, se aplica la ecuación [6].
B = ϕ A
B = 113239.58 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑠 π 4 ∗ (1.5cm)2
𝐵 = 64080.49𝑙í𝑛𝑒𝑎𝑠 𝑐𝑚2
El resultado obtenido por cálculos se detalla en la tabla 6, las características de construcción se encuentran en anexo 5 – eje pistón con calce de grilón:
Tabla 6. Características de electroimán final
Parámetros calculados 14.5 V
Intensidad 4.5 Amperios
Fuerza Magnetomotriz 2717.75 Amp - vuelta
Potencia 65.70 (W)
Flujo magnético 113239.58 líneas
Inducción magnética 64080.49 líneas/cm2
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Figura 13. Electroimán Final
3.3 ELABORACIÓN DEL LÍQUIDO MAGNETOREOLÓGICO
En el proceso de elaboración de líquido magnetoreológico se tomó en cuenta muchos parámetros para su composición entre ellos: las partículas de hierro que se adquirió debía poseer propiedades de alta polarización, en lo que respecta al líquido que lo contendrá será un aceite con un grado alto de viscosidad y finalmente los aditivos que complementan la mezcla, deberán cumplir con la función de estabilizar la composición obtenida para evitar los factores de sedimentación.
Las partículas de metal fueron obtenidas por medio de los procesos relacionados con el arranque de viruta, la maquinaria que brinda la posibilidad de obtención de partículas mucha más finas dentro de la industria, es la rectificadora, se recolecto gran cantidad de material para realizar un lavado previo al filtrado y así proceder con las pruebas necesarias. Con el material recolectado se realizó el proceso de limpieza, que consistió someter a las partículas ferromagnéticas a gasolina, con la ayuda de un imán se juntó las partículas ferromagnéticas separándolas de las impurezas que pueden llegar a mezclase después del proceso de rectificación. Para el proceso de secado, figura 14, las partículas fueron colocadas sobre un material absorbente, después de unas horas se obtuvo partículas limpias y secas.
26
Ya secas las partículas se realizó el primer filtrado, con el objetivo de hacer las partículas mucho más pequeñas y no haya sedimentación temprana dentro de la mezcla, para ello se utilizó un filtro de malla de metal de 0.2mm de diámetro como se ve en la figura 15.
Figura 15. Malla de metal (0.2mm)
Realizada la filtración, se procedió a realizar la primera prueba de mezcla con aceites de varias características en los que se comprobó el proceso de sedimentación de las partículas dentro del aceite, obteniendo los siguientes resultados.
Cabe mencionar, para la prueba de sedimentación se utilizó aceites de varias características, entre ellos el propio aceite extraído del amortiguador, con el fin de comprobar cuál sería el aceite adecuado para la mezcla del líquido magnetoreológico, en la tabla 7 se muestra el tiempo de sedimentación en cada uno de los aceites de prueba.
Tabla 7. Prueba de sedimentación – con partículas del primer filtrado Tipos de aceites Tiempo de sedimentación
Aceite propio de amortiguador 30 segundos
SAE 40 8 minutos
SAE 20w50 14 minutos
SAE 90 20 minutos.
Como se puede observar el tiempo de sedimentación de las partículas obtenidas del primer filtrado resulto corto, con el afán de aumentar el tiempo de suspensión de las partículas en el fluido se creó un proceso para la obtención de partículas mucho más pequeñas.
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Figura 16. Malla de fibra vista en microscopio
Se realizó una pequeña adaptación, figura 17 y 18 para la recolección de las partículas, en donde se colocó un recipiente recolector (funda plástica) y dentro de este un imán que atrajo todo el material expulsado por la aspiradora impidiendo su dispersión.
Figura 17. Filtrado de partículas en aspiradora ELECTROLUX NEO16
Figura 18. Recolección de partículas filtradas con un imán
Con las partículas filtradas utilizando el método anterior, nuevamente se realizó la prueba de sedimentación, figura 19.
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La prueba de sedimentación dio los siguientes resultados, representados en la tabla 8.
Tabla 8. Prueba de sedimentación de partículas filtradas con aspiradora
Tipos de aceites Tiempo de sedimentación
Aceite propio de amortiguador 1 minuto
SAE 40 15 minutos
SAE 20w50 25 minutos
SAE 90 35 minutos.
A continuación, en la tabla 9 se detalla la diferencia que existente en el tiempo de sedimentación de las partículas después del segundo filtrado.
Tabla 9. Tiempos de sedimentación de material ferromagnético en aceites base
Tipos de aceites Tiempo 1 Tiempo 2
Aceite propio de amortiguador 30 segundos 1 minuto
SAE 40 8 minutos 15 minutos
SAE 20w50 14 minutos 25 minutos
SAE 90 20 minutos. 35 minutos.
Como se puede observar el tiempo de sedimentación de las partículas ferromagnéticas filtradas aumentó, logrando el objetivo de mantener por mucho más tiempo las partículas en suspensión en el aceite que lo contenedor.
De los aceites utilizados en la prueba, el más adecuado para el objetivo de evitar la sedimentación temprana es el aceite monogrado SAE 90, el cual posee una viscosidad mediana y tiene propiedades de baja presión de vaporización, lo que permite un rango alto de temperatura de trabajo sin que el aceite cambie de estado a vapor y mantenga su viscosidad, como característica principal las partículas de metal se suspendieron por mucho más tiempo antes de su sedimentación. Según trabajos realizados relacionados con la amortiguación electromagnética (magnetoreológica) se da un rango de mezcla para el fluido ferromagnético que dice que puede estar compuesto por un 20% al 40% de partículas de hierro del volumen total de la mezcla. (Co., 2015)
3.3.1 SELECCIÓN DE MATERIALES PARA LÍQUIDO
MAGNETOREOLÓGICO
29
Densidad:
Se aplicará la ecuación [8]
ρ =m V
• Aceite vegetal:
ρ =0.540kg
200ml = 0.0027 kg
ml= 2700 kg m3
• Aceite hidráulico:
ρ =0.1548kg
200ml = 0.000774 kg
ml= 774 kg m3
• Aceite SAE 90:
ρ =0.465kg
200ml = 0.002325 kg
ml= 2325 kg m3
En la tabla 10 se observa el resumen de la densidad de aceites de prueba.
Tabla 10. Densidad de aceites de prueba.
Tipo de aceite Densidad
Aceite vegetal [𝑘𝑔
𝑚3] 2700
Aceite Hidráulico [𝑘𝑔
𝑚3] 774
Aceite SAE 90 [𝑘𝑔
𝑚3] 2325
A continuación, se calcula la densidad de resto de elementos que conforman el fluido ferromagnético.
• Ácido Oleico surfactante:
𝜌 =0.1564𝑘𝑔
200𝑚𝑙 = 0.000782 𝑘𝑔
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• Partículas ferromagnéticas:
𝜌 =0.4752𝑘𝑔
200𝑚𝑙 = 0.002376 𝑘𝑔
𝑚𝑙= 2376 𝑘𝑔 𝑚3
Los resultados de densidad del ácido oleico y partículas ferromagnéticas se detallan en la tabla 11.
Tabla 11. Densidad de elementos que conforman el fluido ferromagnético.
Tipo de aceite Densidad
Ácido oleico [𝑘𝑔
𝑚3] 782
Partículas ferromagnéticas [𝑘𝑔
𝑚3] 2376
3.3.1.1 CÁLCULOS DE VISCOSIDAD DE FLUIDO MAGNETOREOLÓGICO.
El procedimiento a seguir, consistió en determinar el tiempo que le toma a una esfera de cristal descender al fondo del recipiente dentro del fluido elegido que fue el aceite SAE 90, en donde la esfera será expuesta a fuerzas entre ellas el peso, el empuje y la fuerza de rozamiento que es proporcional a la velocidad que posea la bola.
La variación de la viscosidad se fue determinando de acuerdo a la composición de partículas ferromagnéticas que se agregó proporcionalmente a la cantidad de líquido que se utilizó.
En este caso se tomó 3 medidas en donde se observó el cambio de la viscosidad al momento de realizar la mezcla.
• Medida 1: consistió en tomar el valor de la viscosidad del aceite SAE 90 sin ningún tipo de elemento adicional.
• Medida 2: consistió en tomar el valor de la viscosidad del líquido magnetoreológico el cual está compuesto por el Aceite SAE 90 conjuntamente con la proporción de partículas ferromagnéticas de acuerdo a la relación 60% líquido (ml) y 40% (g) partículas ferromagnéticas que fue detallada anteriormente.
31
Para encontrar la viscosidad del fluido base y del fluido magnetoreológico se procede a realizar el experimento aplicando la ley de Stokes, los instrumentos y materiales a utilizar en el experimento fueron los siguientes:
• Embace graduado
• Cronómetro
• Aceite SAE 90
• Partículas ferromagnéticas
• Multímetro
• Electroimán
• Fuente 12V
• Esfera de vidrio (canica)
En la tabla 12 se muestra los datos de la esfera de vidrio que se utilizará en el experimento.
Tabla 12. Datos de la esfera de vidrio. Diámetro de la esfera [∅] 1.61𝑐𝑚 = 0.161𝑚
Radio de la esfera [𝑟] 0.00805𝑚
Masa de la esfera [𝑚] 5.68𝑔 = 0.00568𝑘𝑔
Volumen de la esfera [𝑉𝑒] 2.18 ∗ 10−6 𝑚3
Densidad de la esfera [𝜌𝑒]
2599.54𝑘𝑔 𝑚3
En la figura 20 se muestra a manera que se tomó los tiempos de caída de la esfera de cristal con la ayuda de un cronómetro digital.
Figura 20. Toma de tiempos de recorrido de bola de vidrio en Aceite SAE90
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Tabla 13. Tiempos de caída de bola de cristal en Aceite SAE 90
Tiempo 1 Tiempo 2 Tiempo 3 Tiempo 4 Tiempo 5 Promedio
0.39s 0.48s 0.40s 0.48s 0.52s 0.4755s
• Velocidad promedio de la esfera de cristal en aceite:
Se aplicará la ecuación [10]
𝑣 =𝑑 𝑡
𝑣 = 0.06𝑚 0.4475𝑠
𝑣 = 0.1345𝑚 𝑠
Para el cálculo de la viscosidad de aplica la ecuación [7]:
Ƞ = 2𝑟
2∗ 𝑔(𝑝𝑒 − 𝑝𝑓)
9𝑣
Ƞ =
2 ∗ (0.00805𝑚)2∗ 9.8𝑚
𝑠2(2599.54
𝑘𝑔
𝑚3− 2325
𝑘𝑔 𝑚3)
9(0.1345𝑚𝑠 )
Ƞ = 0.2834𝑘𝑔 𝑘𝑔𝑚
𝑠 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝐴𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 𝑆𝐴𝐸 90
En la figura 21 se observa la manera cómo se realizó la prueba con el electroimán para comprobar el cambio en las propiedades de viscosidad del líquido magnetoreológico al momento de aplicar un campo magnético.
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Aplicando la ecuación de la viscosidad en los 3 casos propuestos se obtuvo los siguientes resultados expuestos en la tabla 14.
Tabla 14. Tabla de variación de viscosidad Tipo de fluido Velocidad de
caída Densidad del fluido Viscosidad del fluido
Aceite SAE90 0.1345𝑚
𝑠 𝜌𝑓 = 2325
𝑘𝑔
𝑚3 Ƞ = 0.2834 𝑘𝑔
𝑚 𝑠
Líquido ferromagnético 0.088𝑚
𝑠 𝜌𝑓 = 2833
𝑘𝑔
𝑚3 Ƞ = 0.3742𝑘𝑔 𝑘𝑔
𝑚 𝑠
Liquido ferromagnético
con campo magnético 0.0132
𝑚
𝑠 𝜌𝑓 = 2833
𝑘𝑔
𝑚3 Ƞ = 2.4949 𝑘𝑔
𝑚 𝑠
Al observar los datos obtenidos se puede demostrar que existe un incremento de la viscosidad con respecto al incremento de corriente que se aplica al electroimán, con estos se comprueba que la viscosidad del líquido magnetoreológico es directamente proporcional al incremento de campo magnético que se haya aplicado al electroimán.
3.4 DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL DEL AMORTIGUADOR
ELECTROMAGNÉTICO
Se desarrolló un sistema que controle la alimentación del electroimán en donde se pretende utilizar un circuito de disparo de un transistor, el mismo que tomará la señal de referencia de un sensor de posición para dejar pasar el voltaje máximo 12V que puede brindar la batería que posee el automóvil. Para el desarrollo de la placa se utilizó el programa CIRCUITO ISIS – PROFESSIONAL donde se realizó varios modelos de aplicación y se seleccionó el más adecuado y conveniente para el trabajo que se quiere aplicar. A continuación, en la figura 21, se detalla el modelo de circuito aplicado conjuntamente con los materiales que se va a utilizar para la fabricación.
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En la tabla 13 se muestran los elementos a utilizar en el circuito de control.
Tabla 15. Elementos utilizados en el diseño de la placa y el sistema de control electrónico
Elemento Nombre Descripción
Batería (fuente) Acumulador y proporciona de energía eléctrica.
Resistencia (5.6k)
Componente electrónico que recibe una resistencia eléctrica determinada entre
dos puntos de un circuito eléctrico.
Transistor Mosfet IRF620
Dispositivo semiconductor utilizado para la entrega de una señal de salida en
respuesta a una señal de entrada
Regulador de voltaje LM7805
Dispositivo electrónico que se alimenta de una cantidad de tensión determinada y es capaz de entregar una cantidad menor y acondicionada a un equipo determinado.
Bobina
Componente de un circuito eléctrico formado por un hilo conductor aislado y
arrollado repetidamente según su uso.
Sensor final de carrera
O sensor de contacto, envía señales que puedan modificar el estado del circuito
3.4.1 FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DE CONTROL
35
A continuación, en la figura 23 y 24 muestra la respuesta a la simulación en el osciloscopio del programa CIRCUITO ISIS – PROFESSIONAL del funcionamiento del sistema de control por medio del accionamiento del sensor de posición.
Figura 23. Simulación sensor de posición no accionado
Como se puede observar en la simulación, el sensor de posición no se encuentra accionado, por lo que no permite el paso de corriente a través del transistor. En el osciloscopio no se muestran variaciones por lo que señala una lectura de cero, para hacer más visible la demostración del funcionamiento, se colocó un medidor digital (amperímetro) en donde señala en su pantalla una lectura de cero mientras el sensor no está accionado.
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En este caso se muestra la simulación cuando el sensor de posición se encuentra accionado, como se observa existe variaciones en el osciloscopio al momento de accionamiento del sensor de posición, de igual manera se ve en el amperímetro un aumento de 5V en su pantalla comprobando el funcionamiento correcto del sistema de control para el amortiguador electromagnético.
Cabe mencionar que la forma de la señal detallada en la figura 24 dependerá directamente del tiempo que el sensor de posición este o no accionado, este accionamiento se lo realizará de forma mecánica con un tope debidamente establecido en el eje pistón del amortiguador.
Por último, para protección del sistema de control del amortiguador electromagnético se procedió a diseñar una caja de material metálico, figura 25 con el objetivo de proteger la placa electrónica construida y evitar que sufra algún tipo de daño al momento de realizar la instalación en el vehículo.
Figura 25. Caja para placa de circuito de control
Se adecuó tomando en cuenta el espacio donde sería instalada. La caja debe tener orificios de ventilación por motivo de calentamiento de elementos en la placa, así como también orificios para el paso de cables ya sea para la batería, el sensor de posición y la bobina electromagnética, el cableado debe ir cubierto por un material aislante de protección para evitar obstrucciones de los cables con algún otro elemento que se encuentre en su camino al momento de la instalación.
3.5 DISEÑO DE SOPORTE PARA ADECUACIÓN DEL SENSOR
DE POSICION.
Ya teniendo una idea clara del funcionamiento tanto mecánico como electrónico del amortiguador electromagnético se procedió por último con el diseño del soporte en donde irá el sensor de final de carrera para cumplir con la función de dar o no dar el paso de corriente hacia la bobina.
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transitando, en la figura 25 se muestra un esquema del soporte que se pretende fabricar con el objetivo de que sujete al sensor.
Figura 26. Esquema del soporte para accionamiento del sensor.
El soporte que se fabricará vendrá con un elemento adicional regulable el cual va a sujetar el sensor de posición, este tendrá la medida exacta de la posición que debe tener el sensor con el elemento en forma de topes que también se adaptará, en este caso ira colocado a la parte superior del eje pistón para cumplir con la función de accionar o no accionar el sensor de fin de carrera.
En la figura 25 se muestra la ubicación de los topes en el eje pistón para cumplir con el accionamiento del sensor.
Figura 27. Esquema de topes para accionamiento de sensor.
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3.6 CONSTRUCCIÓN.
Para iniciar la construcción del sistema de amortiguación electromagnética, se utilizará el vehículo Nissan Sentra B13 / 1996. Se procedió con el desmontaje del amortiguador original que posee el automóvil, que es el elemento principal para el desarrollo del amortiguador electromagnético, figura 28.
Figura 28. Amortiguador Nissan Sentra B13/1996
Prosiguiendo, se desarmó el amortiguador completamente por lo que fue necesario retirar el aceite interno mediante una perforación en la parte inferior, figura 29, evitando que se desperdicie, con la finalidad de llenar con la misma cantidad de líquido al momento de su montaje.
Figura 29. Perforación de amortiguador
Se realizó un corte en la parte superior del amortiguador de aproximadamente a unos 35mm para poder destapar la carcasa y sacar los elementos que conforman el amortiguador como se ve en la figura 30.
