Modificación cinemática y dinámica de un motor de una motocicleta pulsar 200cc para competición.

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UNIVERSIDAD UTE

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E

INDUSTRIAS

CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

MODIFICACIÓN CINEMÁTICA Y DINÁMICA DE UN MOTOR DE

UNA MOTOCICLETA PULSAR 200CC PARA COMPETICIÓN

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ

Autor:

WALTER ANDRÉS GÓMEZ MOREIRA

Director:

ING. MANUEL ARTURO FALCONÍ BORJA, MSc.

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FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO

PROYECTO DE TITULACIÓN

DATOS DE CONTACTO CÉDULA DE IDENTIDAD: 1724334113

APELLIDO Y NOMBRES: Gómez Moreira Walter Andrés

DIRECCIÓN: Conjunto Habitacional “Montebelluno” EMAIL: [email protected]

TELÉFONO FIJO: 2767001 TELÉFONO MOVIL: 0958945781

DATOS DE LA OBRA

TITULO: Modificación cinemática y dinámica de un motor de una motocicleta pulsar 200cc para competición.

AUTOR O AUTORES: Walter Andrés Gómez Moreira FECHA DE ENTREGA DEL

PROYECTO DE TITULACIÓN:

Enero 10 2019

DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:

Ing. Manuel Arturo Falconí Borja, MSc

PROGRAMA PREGRADO POSGRADO TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz

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comportamiento de la motocicleta. Por tanto, se procedió a comparar los aspectos tanto en el diseño estándar o inicial de los elementos como en el rediseño del mismo. Los resultados arrojaron datos importantes mencionando el factor de seguridad del material cuya fuerza es aplicada, lo que permite confianza y fiabilidad en el diseño. En conclusión, la parte más crítica se produjo en el cuello de la biela dado que se aligera 9,19 gramos de masa y en efecto al rediseño resulta con un valor mínimo de seguridad de 4,6/10, por lo que se mantienen dentro del rango mínimo de seguridad que es de 4,2/10 y por ende mejora el rendimiento y potencia del motor. PALABRAS CLAVES: Pistón, Biela, Trucado, Simulación,

Análisis CAE.

Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.

__________________________________________ GÓMEZ MOREIRA WALTER ANDRÉS

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DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN

Yo, GÓMEZ MOREIRA WALTER ANDRÉS, CI 1724334113 autor del proyecto titulado: Modificación cinemática y dinámica de un motor de una motocicleta pulsar 200cc para competición previo a la obtención del título de INGENIERIO AUTOMOTRIZ en la Universidad UTE.

1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.

2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad UTE a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.

Santo Domingo, 10 de enero de 2018

__________________________________________ GÓMEZ MOREIRA WALTER ANDRÉS

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CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Modificación cinemática y dinámica de un motor de una motocicleta pulsar 200cc para competición”, que, para aspirar al título de Ingeniero Automotriz fue desarrollado por Walter Gómez, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e Industrias; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 19, 27 y 28.

Ing. Manuel Arturo Falconí Borja, MSc. DIRECTOR DEL TRABAJO

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DEDICATORIA

Con firmeza, dedico este proyecto de titulación principalmente a Dios por sus constantes bendiciones. A mi familia por ser el un gran apoyo en todas las etapas de mi vida. Sin duda, es importante saber que cuento con ellos.

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AGRADECIMIENTO

Agradezco a mi madre de manera muy especial el tiempo que me dedicó para que esta meta se cumpla, también aplaudo su confianza depositada en mí, creyendo aún más en mis capacidades a pesar de momentos complicados de mi vida. Agradezco a mi padre por su gentileza y bondad que me permitieron concluir mi etapa académica. También destaco su voz de aliento en circunstancias adversas.

De manera exclusiva, agradezco a Javier Corella, quien es un padre, un amigo, y principalmente, un enorme mentor para poder conseguir resultados importantes en mi vida.

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ÍNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

RESUMEN ... 1

1. INTRODUCCIÓN ... 2

1.1. TIPOS DE MOTOCICLETAS ... 4

1.2. MOTOS RACING ... 4

1.3. MOTOR 4 TIEMPOS, CICLO TEÓRICO ... 5

1.3.1. ADMISIÓN ... 5

1.3.2. COMPRESIÓN ... 6

1.3.3. EXPLOSIÓN ... 6

1.3.4. ESCAPE ... 7

1.4. MOTOR 2 TIEMPOS ... 7

1.4.1. FUNCIONAMIENTO ... 8

1.4.2. FASES TE TRABAJO ... 8

1.4.3. PRIMER TIEMPO ... 8

1.4.4. SEGUNDO TIEMPO ... 9

1.5. CINEMÁTICA Y DINÁMICA DEL MOTOR ... 9

1.5.1. DINÁMICA ... 10

1.6. AUMENTO DEL REGIMEN DE GIRO ... 11

1.7. OBJETIVO GENERAL ... 11

1.8. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 11

2. METODOLOGÍA ... 12

2.1. MÉTODO ANALÍTICO ... 12

2.2. MÉTODO INDUCTIVO Y DEDUCTIVO ... 12

2.3. MÉTODO EXPIRIMENTAL ... 13

2.4. MÉTODO DE ENSAYO ... 13

2.5. MÉTODO DESCRIPTIVO ... 13

2.6. CONTENIDO TÉCNICO ... 13

2.6.1. CARACTERÍSTICA TÉCNICA DEL MOTOR ... 13

2.6.2. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL MOTOR ... 14

2.7. CARACTERÍSTICAS DEL SOFTWARE “SOLIDWORKS” ... 15

2.8. CÁLCULOS CINEMÁTICA DEL MOTOR ... 15

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 21

3.1. DISEÑO ESTÁNDAR ... 21

3.2. DISEÑO MODIFICADO ... 22

3.3. PROPIEDADES QUÍMICAS DE LOS MATERIALES ... 25

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 27

4.1. CONCLUSIONES ... 27

4.2. RECOMENDACIONES ... 27

BIBLIOGRAFÍA ... 29

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ÍNDICE DE TABLAS

PÁGINA

Tabla 1. Características de la motocicleta pulsar 200cc. ... 14

Tabla 2. Especificaciones técnicas del motor ... 14

Tabla 3. Parámetros del motor a 1450 rpm ... 15

Tabla 4. Cálculo a bajas revoluciones ... 16

Tabla 6. Cálculos a revoluciones medias ... 17

Tabla 8. Cálculos a altas revoluciones ... 19

Tabla 9. Diseño estándar del motor ... 21

Tabla 10. Parámetros del rediseño del motor ... 23

Tabla 11. Resultados del rediseño del motor ... 24

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ÍNDICE DE FIGURAS

PÁGINA

Figura 1. Ciclo de admisión ... 5

Figura 2. Ciclo de compresión ... 6

Figura 3. Ciclo de explosión ... 6

Figura 4. Ciclo de escape ... 7

Figura 5. Funcionamiento del motor de 2 tiempos ... 8

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ÍNDICE DE ANEXOS

PÁGINA

Anexo 1. Análisis del modelo estándar ... 31

Anexo 2. Plano geométrico del pistón ... 40

Anexo 3. Plano geométrico de la biela ... 41

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RESUMEN

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1. INTRODUCCIÓN

El estudio cinemático y dinámico de un motor de combustión interna es examinado con mucha determinación por los fabricantes, ciertamente para un correcto desempeño, y eficiencia de los motores. En el funcionamiento real de un motor, la velocidad está determinada por la fuerza que los gases ejercen sobre el pistón, por el par resistente que la “carga” ejerce sobre el cigüeñal, por la inercia de la pieza y la carga y, en menor medida, por el rozamiento entre pistón y cilindro, y el existente en las agujas de los rodamientos o entre superficies de los cojinetes (Ospina & Zapata, 2015). Por medio de un análisis cinetostático del mecanismo biela-manivela de un motor de combustión interna se puede visualizar las fuerzas que se aplican sobre el bloque de cilindro y que finalmente producirán su movimiento y por consiguiente vibraciones (Muñoz, 2012). Es por tal razón, que es necesario comprender el comportamiento dinámico de los elementos de un motor de combustión interna para en efecto, realizar la modificación.

En la actualidad es laborioso hallar información determinada en la preparación de un motor de competición para motocicletas, debido a su dificultad y al estudio específico que esta presenta. En nuestro medio son muy pocos los trabajos de investigación sobre este tema, especialmente en las bibliotecas son muy difíciles de encontrar, salvo por algunas páginas, temas o subtemas que algunos libros de mecánica le dedican a este contenido. El medio que más información proporciona sobre este es indudablemente el internet, sin embargo, la información es bastante limitada, y generalizada (Santander & Ramos, 2015)

En el presente existen muchos pilotos de moto velocidad que no tienen conocimientos técnicos para preparar sus motocicletas para competición, de tal modo que no se aprovecha el rendimiento óptimo de la moto. La falta de conocimientos técnicos de preparación de un motor de moto de velocidad perjudicará en la competitividad de los pilotos nacionales en las competencias organizadas en nuestro medio.

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competencias de baja y media cilindrada, por tanto, el nivel competitivo de los mencionados pilotos se incrementa.

El resultado del estudio, modificación y desarrollo se refleja en el comportamiento de los mecanismos que son sometidos a cargas extremas, y es simulado en el software. Este permite comparar variables de velocidad y peso de la motocicleta. Dichos datos se analizarán dentro de los cálculos de rendimiento del prototipo. Se realizará una investigación para la preparación mecánica de una motocicleta pulsar 200cc, mejorando los sistemas dinámicos del motor que componen una motocicleta de velocidad.

Las motocicletas descienden de la bicicleta de seguridad, una bicicleta con ruedas delanteras y traseras del mismo tamaño con un mecanismo de palanca de pedal para conducir la rueda trasera. Una motocicleta se la puede considerar una bicicleta suministrada por un motor de combustión interna o un motor de combustión externa. La motocicleta cuenta con dos ejes, uno delantero y otro trasero. El eje delantero en el que se encuentra la rueda frontal tiene el trabajo de prestar el equilibrio en la dirección; por consiguiente, el eje posterior cumple con la función de originar tracción en la rueda trasera (McIntosh, 2013).

En 1818 se realizó la primera presentación en Paris una draisiana, es decir: un prototipo de bicicleta provista de una caldera de vapor, misma que fue llamado por su autor como “vélocipédraisiavaporiana”. El desarrollo de este prototipo de vehículo no generó consecución; motivo por el cual obtuvo poca trascendencia en la industria del motociclismo (Curiosfera, 2016).

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sur de Asia, específicamente en Japón. De esta manera nace el nuevo concepto de fabricación del siglo XXI (Motor 16, 2016)

1.1. TIPOS DE MOTOCICLETAS

Hoy por hoy existen múltiples prototipos de motocicletas pensado en la funcionalidad y demanda del cliente, es decir, del uso que se le quiera dar en las condiciones requeridas.

Existen 3 tipos básicos de motocicletas según sus características. Los diseños son: 1) Motocicletas de calle, 2) Motocicletas de múltiple propósito y 3) Motocicletas fuera de la carretera. Las motocicletas de calles están diseñadas para su uso en carreteras públicas, específicamente en vías de primer y segundo orden, es decir, en avenidas y calles pavimentadas. Las motocicletas múltiples propósitos, son proyectadas para su uso tanto en calles de alto tráfico como en carreteras de calzada sencilla. Por último, las motocicletas fuera de las carreteras, generalmente son deportivas y no están autorizadas para circular en carreteras de uso público, y éstas son empleadas para competencias de velocidad.

1.2. MOTOS RACING

Son motocicletas con motores de alta cilindrada, sobresaliente rendimiento y última tecnología, poseen marcos livianos y están diseñadas para un mayor alcance de aceleración, velocidad, ahorro y eficiencia de combustible, así también presta las condiciones de seguridad y confort para la comodidad del piloto. Sin embargo, la posición del torso del piloto es inclinada hacia abajo, obligando a reducir la resistencia aerodinámica y balanceando el peso del conductor (Paramoto, 2018).

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1.3. MOTOR 4 TIEMPOS, CICLO TEÓRICO

En el año de 1876, precedido por varios intentos de físicos por desarrollar la maquina térmica, el ingeniero alemán; Nicolaus August Otto e inventor belga Etienne Lenoir llevaron a punto, el primer motor que hoy es denominado “Motor de ciclo Otto”.

El motor de ciclo Otto, es una máquina de combustión interna alternativo, encendido por chispa y está compuesto por un conjunto de mecanismos fijos y móviles, que tienen como objeto trasformar la energía química (mezcla de comburente y carburante) en energía mecánica (movimiento) en un determinado ciclo termodinámico. Este cumple con un diseño especifico, según la aplicación o función que se pretenda obtener. El motor térmico de combustión interna de cuatro tiempos en su esquema de funcionamiento y renovación de carga, se resume por un ciclo te trabajo divididas en cuatro fases; admisión, compresión, explosión y escape (Rovira & Muñoz, 2015) (Alonso, 2014).

1.3.1. ADMISIÓN

En este proceso el pistón se desplaza en el cilindro desde el punto muerto superior (PMS) hasta el puerto muerto inferior (PMI), por otra parte, la válvula de admisión se abre permitiendo la entrada de aire-combustible; mientras que la válvula de escape está totalmente cerrada. La entrada de fluido de trabajo se denomina primer tiempo (Gonzales & Fernández, 2011).

Figura 1. Ciclo de admisión

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1.3.2. COMPRESIÓN

En este segundo tiempo el pistón asciende al PMI, produciendo la compresión de la mezcla, todo esto se realiza mientras las válvulas de admisión y escape estén cerradas. A partir de que los gases están siendo comprimidos, el volumen interno de la mezcla se reduce originando el aumento de la temperatura interior de la cámara de combustión y a la vaporización de los gases (Gonzáles, Motores térmicos y sus sistemas auxiliares, 2015).

Figura 2. Ciclo de compresión

Fuente: (Jiménez, 2012)

1.3.3. EXPLOSIÓN

El tercer tiempo se define al finalizar la carrera del pistón al PMS, comprimiendo totalmente los gases en el interior del cilindro por medio del circuito de encendido, este origina el salto de una chispa producida por la bujía que se encuentra en el interior de la cámara de combustión; de la tal manera que la elevada temperatura y presión de los gases genera la combustión de la mezcla y en efecto empuja al pistón hacia el PMI, mientras las válvulas de admisión y escape estén cerradas (Orovio, 2010).

Figura 3. Ciclo de explosión

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1.3.4. ESCAPE

En este último tiempo, la válvula de escape se apertura cuando el pistón haya completado la carrera de trabajo al PMI, de tal manera que los gases quemados en el interior del cilindro son vaciados rápidamente al exterior; mientras que el desplazamiento ascendente del embolo hacia el PMS, completa la fase de expulsión. Al terminar esta carrera, es decir, cuando el pistón llega al PMS, se vuelve a abrir la válvula de admisión, y empieza otro ciclo de funcionamiento to idéntico al anteriormente descrito (Pérez, 2017) (Secundino, E., González, J., & Rivas, J., 2009). Es importante mencionar que por cada tiempo de trabajo el cigüeñal gira 180 grados, es decir, cada dos revoluciones del cigüeñal se completa un ciclo de trabajo.

Figura 4. Ciclo de escape

Fuente: (Jiménez, 2012)

1.4. MOTOR 2 TIEMPOS

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Figura 5. Funcionamiento del motor de 2 tiempos (Jiménez, 2012)

1.4.1. FUNCIONAMIENTO

El mecanismo principal que compone un motor Otto de dos tiempos está formado por un pistón, biela y cigüeñal. Como en todo motor alternativo, el movimiento alternativo del pistón en el interior del cilindro, se transforma en rotativo mediante el mecanismo biela-manivela, que hace girar el cigüeñal. En este movimiento, el pistón abre y cierra las lumbreras y marca los tiempos de admisión y escape (Escudero, Gonzáles, Rivas, & Suárez, 2009).

La característica principal de este motor es que no dispone de válvulas que regulen la entrada y salida de gases. El pistón, en su desplazamiento mediante las lumbreras, abre y cierra el paso del fluido en el cilindro, la lumbrera de admisión y de escape están situadas en la parte baja del cilindro (Sanchez, 2012).

1.4.2. FASES TE TRABAJO

El motor de dos tiempos cuenta con un pistón, el cárter que es aprovechado para el cambio de gases, también con una bujía de encendido, una lumbrera de admisión y una lumbrera de escape. Aparte el motor de dos tiempos se diferencia por tener una lumbrera de carga (Gonzáles, 2015).

1.4.3. PRIMER TIEMPO

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drásticamente el aumento de temperatura de los gases; y a la vez la depresión que genera el aumento del volumen en el cilindro, permite que la lumbrera de admisión, ya abierta, introduzca la mezcla fresca para el posterior ciclo. Finalmente, antes de que el embolo llegue al PMS, la bujía de encendido proporciona una chispa permitiendo la combustión de los gases. La carrera se finaliza con media vuelta del cigüeñal, es decir, 180 grados de giro (Sanz, 2017).

1.4.4. SEGUNDO TIEMPO

Una vez que los gases combustionaron en el primer tiempo, el aire caliente se expande y presiona al pistón hacia abajo provocando el desplazamiento hacia el PMI. A medida que el embolo continua su carrera descendente, la lumbrera de admisión se cierra mientras que las lumbreras de escape y carga se apertura. La mezcla fresca en el cárter es pre comprimida, y en consecuencia es forzada a entrar en la cámara de combustión por medio de la lumbrera de carga, y esta nueva mezcla fresca empuja a los gases quemados fuera de la cámara de combustión por la lumbera de escape. Para la finalización del ciclo el cigüeñal gira media vuelta más completando los 360 grados (Sanchez, 2012) (Álvarez, 2005).

1.5. CINEMÁTICA Y DINÁMICA DEL MOTOR

El concepto de la cinemática del motor monocilíndrico parte del sistema biela-manivela. Este transforma el movimiento lineal del pistón en movimiento circular gracias a la ayuda del cigüeñal (Jiménez, 2012)

El mecanismo biela-manivela proporciona análisis y datos relacionados con el desplazamiento, velocidades y aceleraciones de los compontes móviles, de tal manera que se puede estudiar analíticamente su comportamiento.

En la ecuación propuesta por (Landa, 2016) se menciona los parámetros del pistón en función del ángulo girado por el cigüeñal. Por tanto, se determina:

1. Oblicuidad de la biela en grados.

2. Posición del pistón respecto del eje de giro de la manivela. 3. Velocidad instantánea del pistón.

4. Velocidad media del pistón.

5. Velocidad máxima que alcanza el pistón y ángulo correspondiente de la manivela.

6. Aceleración del pistón.

7. Fuerza total que actúa sobre el pistón.

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Figura 6. Esquema básico biela-manivela

Donde:

l: es la longitud de la biela expresada en milímetros. r: radio de la manivela expresada en milímetros. C: carrera del pistón desde el PMS a PMI. X: posición del pistón referida al PMS

α: ángulo girado por el cigüeñal contado desde el punto muerto superior. β: ángulo que forma la biela con el del cilindro.

1.5.1. DINÁMICA

La dinámica de un motor guía a examinar las fuerzas estáticas y de inercia de los compones móviles, produciendo cargas importantes en el motor alternativo como variaciones de la carga de la biela y pistón (Norton, 2009).

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1.6. AUMENTO DEL REGIMEN DE GIRO

Un aspecto básico para lograr obtener un aumento de potencia al motor, sin duda es el aumento del régimen de giro sobre el que está diseñado. Para lograr ganar altas revoluciones es necesario proceder aligerar masas en los mecanismos pistón, biela y cigüeñal y demás (Gillieri, 2005)

Se entiende que por cada 5% de aligeramiento de masa en la biela, se obtiene 1000 (revoluciones por minuto) rpm superior al diseño estándar del motor. Para que no exista un desequilibrio dinámico en el motor es indispensable analizar las cuidadosamente las tolerancias de reducción de masa en los elementos móviles, puesto que puede alterar el correcto funcionamiento del motor (Olivo, 2018).

1.7. OBJETIVO GENERAL

Mejorar el desempeño mecánico y dinámico de una motocicleta pulsar 200cc para velocidad.

1.8. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

 Analizar el sistema biela-manivela del motor para su modificación.

 Calcular los parámetros técnicos de los sistemas dinámicos del motor a repotenciar.

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2. METODOLOGÍA

Para demostrar la aplicación de los conceptos técnicos de cinemática y dinámica en el motor de combustión interna en la presente investigación, se optó por sustentar el proyecto de campo en los siguientes métodos científicos de investigación.

2.1. MÉTODO ANALÍTICO

Por medio del método analítico se consiguió analizar y comprender el comportamiento cinemático en el movimiento del pistón mediante el sistema biela-manivela. Por tal motivo, se examinó las características físicas y química de todos los componentes del sistema. Por tanto; se observó el diseño del componente, su estructura física, es decir; las propiedades del material y, por último, se estudió la función que desempeña cada elemento. El conjunto de partes y mecanismos considerados en el análisis fueron: pistón, biela-manivela y cigüeñal.

Mediante el análisis se determinó el cambio en el diseño de las piezas examinadas y en consecuencia se realizó el aligeramiento del peso de las partes mediante cálculos y parámetros establecidos.

Las modificaciones realizadas parten de los conceptos de dinámica y cinemática del motor, y para esto se consultó en citas bibliográficas con el fin de desarrollar parámetros y procedimientos técnicos de acuerdo a la necesidad mecánica y prestaciones de la motocicleta pulsar 200cc.

2.2. MÉTODO INDUCTIVO Y DEDUCTIVO

Si bien es cierto, existen parámetros establecidos para repotenciar un motor de combustión interna de acuerdo a la necesidad que se requiera. Sin embargo, este método nos permitió establecer hipótesis en relación al aumento de rendimiento propuesto para la motocicleta. Para la modificación cinemática y dinámica de una motocicleta pulsar 200cc no existen manuales para su efecto. De tal manera, que se optó por aplicar el razonamiento empírico para repotenciar las prestaciones del motor.

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2.3. MÉTODO EXPIRIMENTAL

A partir del análisis teórico de las modificaciones en el diseño de las partes de motor se procedió a realizar el trucaje cinético de la motocicleta en un laboratorio. Este método nos permitió relacionar los conceptos aprendidos a lo largo de plan de estudio realizado en la institución, específicamente en la carrera de ingeniería automotriz por medio de la práctica. Las actividades se basaron en la reducción de masas, trucaje pistón-biela. Para realizar dichos trabajos se estimó el balanceo dinámico del motor para un correcto equilibrio.

2.4. MÉTODO DE ENSAYO

Para demostrar la eficiencia mecánica y el mejoramiento dinámico que se realizó en el proyecto, es necesario relacionar parámetros técnicos de la motocicleta antes de ser modificada. Para ello se indispensable emplear un banco de pruebas.

Para verificar factores de seguridad y tensión en el rendimiento de la moto, utilizamos el análisis CAE para la repotenciación de la motocicleta pulsar 200cc.

2.5. MÉTODO DESCRIPTIVO

Para definir una correcta metodología y emplearla, fue importante realizar un procedimiento técnico en los cálculos de rediseño, parámetros y tolerancias de reducción de masas, simulaciones de fuerzas aplicadas en pistones, para en su efecto llevarlos a la práctica. Mediante este método podemos detallar, analizar y sustentar los cambios realizados a nuestro proyecto.

2.6. CONTENIDO TÉCNICO

Dentro del contenido técnico es importante investigar la condición actual y prestaciones de la motocicleta. Es decir, los parámetros técnicos con las cuales vamos a trabajar puesto que en el análisis de resultados nos arrojará el comportamiento dinámico para posibilitar un mayor rendimiento del motor empleado.

2.6.1. CARACTERÍSTICA TÉCNICA DEL MOTOR

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Tabla 1. Características de la motocicleta pulsar 200cc.

CARACTERÍSTICAS DESCRIPCIÓN

Modelo Bajaj pulsar 200cc

Transmisión 6 velocidades

Freno Frontal Hidráulico disco

Freno trasero Hidráulico disco

Combustible Gasolina

CAPACIDAD DEL TANQUE DE COMBUSTIBLE

Lleno 12 lt

Reserva utilizable 2.4 lt

Reserva no utilizable 0.2 lt Dimensiones

Largo 2017 mm

Ancho 804 mm

Alto 1195 mm

Distancia entre ejes 1263 mm

Distancia al piso 167 mm

Medida llantas

Frontal 100/80-17,52P

Trasera 130/70-17,61P Presión de llantas

Frontal 25 PSI

Trasera (solo) 28 PSI

Trasera (c/pasajero) 32 PSI

Sistema eléctrico 12 Volts DC

Batería 12V – 8 Ah

Peso Total 275 kg

Velocidad máxima 136 km/hr

Fuente: (Bajaj, 2015)

2.6.2. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL MOTOR

En la tabla 2 se puntualiza los datos técnicos del motor pulsar 200cc en estado estándar.

Tabla 2. Especificaciones técnicas del motor

CARACTERÍSTICAS DESCRIPCIÓN

Motor 4 tiempos monocilíndrico

Diámetro x Carrera 72 mm x 49 mm

Cilindrada 199.5 cc

Radio de compresión 11:01

Ralentí 1350 - 1450 RPM

Potencia máxima 23.5 HP – 9500 RPM

Torque máximo 18.3 Nm

Sistema de ignición CDI

Bujías 3

Calibración bujías 0.7 - 0.8 mm

Lubricación del motor Aceite a presión

Refrigeración del motor Enfriamiento por líquido

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2.7. CARACTERÍSTICAS DEL SOFTWARE “SOLIDWORKS”

Para destacar y evaluar las condiciones de esfuerzos que son sometidos los elementos móviles del mecanismo biela, se comprobó las respectivas simulaciones mediante una herramienta CAD denominado SOLIDWORKS, con un sistema citado GKS (GraphicalkernelSystem). El mismo es un software que faculta a los usuarios a diseñar gráficos modelados. Entre la función principal de GKS, se dispone el lograr obtener una interface lógica de una idea mediante la visualización de esquemas (Solórzano, 2015)

Además, el software brinda la facilidad de poder simular esfuerzos en elementos móviles como es el caso de un motor de combustión interna. El usuario plasma los esquemas en GKS, y estos posibilitan que ofrezcan datos en condiciones reales de funcionamiento en los distintos prototipos simulados.

2.8. CÁLCULOS CINEMÁTICA DEL MOTOR

El motor monocilíndrico gira a 1450 rpm, forma un ángulo de la manivela de 60°. Las revoluciones por minutos están consideras en ralentí para poder determinar el comportamiento dinámico con bajas cargas.

Determinar para dicha posición:

a) Ángulo de la biela en grados b) Posición del pistón

c) Velocidad instantánea del pistón d) Velocidad media del pistón

e) Velocidad máxima del pistón y su ángulo f) Aceleración del pistón

g) Fuerza que actúa sobre el pistón

Tabla 3. Parámetros del motor a 1450 rpm

Datos: Fórmulas:

n:1450 rpm α: 60° l: 89,75mm S: 49 mm

i: monocilíndrico

𝑟 = 𝑠

2=

49𝑚𝑚

2 = 24,5𝑚𝑚

𝜆 = 𝑟

𝑙 =

24,5𝑚𝑚

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x=cosα a=2 b=1/λ c=-1

Tabla 4. Cálculo a bajas revoluciones

a) Grado de oblicuidad de la biela

𝑠𝑒𝑛𝛽 = 𝜆 ⦁𝑠𝑒𝑛𝛼

- 𝑠𝑒𝑛𝛽 = 0,27⦁𝑠𝑒𝑛 60°

- 𝑠𝑒𝑛𝛽 = 0,23

- 𝛽 = 𝑠𝑒𝑛−1_⦁(0,23)

- 𝛽 = 13,30°

b) Posición del pistón

𝑥 = 𝑟 ∙ (1 − 𝑐𝑜𝑠𝛼) + 𝑙[1 − √1 − 𝜆2 _{∙ 𝑠𝑒𝑛}2 _𝛼]

- 𝑥 = 24,5𝑚𝑚(1 − 𝑐𝑜𝑠60°) + 89,75𝑚𝑚[1 − √1 − (0,27)2_{𝑠𝑒𝑛 2 (60)]}

- 𝑥 = 12,25𝑚𝑚 + 89,75[1 − 0,97]

- 𝑥 = 14,94 𝑚𝑚

c) Velocidad instantánea del pistón

𝑉 = 𝑊𝑟⦁(𝑠𝑒𝑛𝛼 +𝜆

2⦁𝑠𝑒𝑛 2 𝛼)

- 𝑉 = 𝜋⦁𝑛

30000⦁24,5𝑚𝑚[𝑠𝑒𝑛 60° + 0,27

2 ⦁𝑠𝑒𝑛 2 (60)]

- 𝑉 =𝜋⦁1450𝑟𝑝𝑚

30000 ⦁24,5𝑚𝑚 ⦁ (0,98)

- _{𝑉 = 3,65 𝑚 𝑠}⁄

d) Velocidad media del pistón

𝑉𝑚 = S⦁n

30000

- 𝑉𝑚 =49mm⦁(1450rpm)

30000

- _{𝑉𝑚 = 2,37 𝑚 𝑠}⁄

e) Velocidad máxima del pistón y su ángulo

2 𝑐𝑜𝑠2_{𝛼 +}1

𝜆cos 𝛼 − 1

- 𝑎𝑥2_{+ 𝑏𝑥 + 𝑐 = 0}

- 𝑥 =−𝑏±√𝑏2−4𝑎𝑐

2𝑎

- 𝑐𝑜𝑠𝛼 =

−1 0,27±√(

1

𝜆)2−4(2)(−1)

2⦁2

- 𝑐𝑜𝑠𝛼 =−3,70±√13,71+8

4

- 𝑐𝑜𝑠𝛼₁=−3,70±√13,71+8

4

- 𝑐𝑜𝑠𝛼1=−3,70±(4,66)₄

- 𝛼1= 76,11°

- 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 𝑊⦁𝑟(𝑠𝑒𝑛𝛼1+

𝜆

2⦁𝑠𝑒𝑛 2 𝛼1)

- _{𝑉𝑚𝑎𝑥 = 3,72 𝑚 𝑠}⁄ (𝑠𝑒𝑛(76,11) +0,27

2 ⦁𝑠𝑒𝑛 2 (76,11))

- _{𝑉𝑚𝑎𝑥 = 3,72 𝑚 𝑠}⁄ − 1,03368

- _{𝑉𝑚𝑎𝑥 = 2,68 𝑚 𝑠}⁄

f) Aceleración del pistón

𝑎 = 𝑤2_{𝑟(𝑐𝑜𝑠𝛼 + 𝜆 cos 2 𝛼)}

- 𝑎 = (𝜋⦁𝑛

30) 2 24,5𝑚𝑚

1000 (𝑠𝑒𝑛60° + 0,27⦁ cos 2 (60))

- 𝑎 =23056,49⦁24,5𝑚𝑚

1000 (0,36)

- _{𝑎 = 203,36 𝑚 𝑠}⁄ ₂

g) Fuerza que actúa sobre el pistón

𝑀𝑎 = 𝑀𝑝 + 𝑀𝑏

- 𝑀𝑎 = 0,216𝑘𝑔 + 0,142𝑘𝑔

- 𝑀𝑎 = 0,358 𝑘𝑔

- 𝐹𝑎 = 𝑀𝑎⦁𝑎

- _{𝐹𝑎 = 0,358 𝑘𝑔⦁203,36 𝑚 𝑠}⁄ 2

(31)

El motor monocilíndrico gira a 5000 rpm, forma un ángulo de la manivela de 60°. En este caso se pretende calcular en un estado de operación normal.

h) Ángulo de la biela en grados i) Posición del pistón

j) Velocidad instantánea del pistón k) Velocidad media del pistón

l) Velocidad máxima del pistón y su ángulo m) Aceleración del pistón

n) Fuerza que actúa sobre el pistón

Tabla 5. Parámetros del motor a 5000 rpm

n:5000 rpm α: 60° l: 89,75mm S: 49 mm i: monocilíndrico

𝑟=𝑠2=49𝑚𝑚2=24,5𝑚𝑚

𝜆=𝑟𝑙=24,5𝑚𝑚89,75𝑚𝑚=0,27

Tabla 6. Cálculos a revoluciones medias

h) Grado de oblicuidad de la biela

- 𝑠𝑒𝑛𝛽 = 0,27⦁𝑠𝑒𝑛 60°

- 𝑠𝑒𝑛𝛽 = 0,23

- 𝛽 = 𝑠𝑒𝑛−1_⦁(0,23)

- 𝛽 = 13,30°

i) Posición del pistón

𝑥 = 𝑟 ∙ (1 − 𝑐𝑜𝑠𝛼) + 𝑙[1 − √1 − 𝜆2 _{∙ 𝑠𝑒𝑛}2 _𝛼]

- 𝑥 = 24,5𝑚𝑚(1 − 𝑐𝑜𝑠60°) + 89,75𝑚𝑚[1 − √1 − (0,27)2_{𝑠𝑒𝑛 2 (60)]}

- 𝑥 = 12,25𝑚𝑚 + 89,75[1 − 0,97]

- 𝑥 = 14,94 𝑚𝑚

j) Velocidad instantánea del pistón

- 𝑉 = 𝜋⦁𝑛

30000⦁24,5𝑚𝑚[𝑠𝑒𝑛 60° + 0,27

2 ⦁𝑠𝑒𝑛 2 (60)]

- 𝑉 =𝜋⦁5000𝑟𝑝𝑚

30000 ⦁24,5𝑚𝑚 ⦁ (0,98)

- _{𝑉 = 12,57 𝑚 𝑠}⁄

k) Velocidad media del pistón

𝑉𝑚 = S⦁n

30000

- 𝑉𝑚 =49mm⦁(5000rpm)

30000

(32)

x=cosα a=2 b=1/λ c=-1 Tabla 6. (Cont.) l) Velocidad máxima del pistón y su ángulo

2 𝑐𝑜𝑠2_{𝛼 +}1

𝜆cos 𝛼 − 1

- 𝑎𝑥2_{+ 𝑏𝑥 + 𝑐 = 0}

- 𝑥 =−𝑏±√𝑏2−4𝑎𝑐

2𝑎

−1 0,27±√(

1

𝜆)2−4(2)(−1)

2⦁2

- 𝑐𝑜𝑠𝛼 =−3,70±√13,71+8

4

- 𝑐𝑜𝑠𝛼1=−3,70±√13,71+8₄

- 𝑐𝑜𝑠𝛼₁=−3,70±(4,66)

4

- 𝛼1= 76,11°

𝜆

2⦁𝑠𝑒𝑛 2 𝛼1)

- _{𝑉𝑚𝑎𝑥 = 12,82 𝑚 𝑠}⁄ (𝑠𝑒𝑛(76,11) +0,27

2 ⦁𝑠𝑒𝑛 2 (76,11))

- _{𝑉𝑚𝑎𝑥 = 12,82 𝑚 𝑠}⁄ − 1,03368

- _{𝑉𝑚𝑎𝑥 = 11,78 𝑚 𝑠}⁄

m) Aceleración del pistón

- 𝑎 = (𝜋⦁𝑛

30) 2 24,5𝑚𝑚

1000 (𝑠𝑒𝑛60° + 0,27⦁ cos 2 (60))

- 𝑎 =6716,81⦁24,5𝑚𝑚

1000 (0,36)

- _{𝑎 = 2418,05 𝑚 𝑠}⁄ ₂

n) Fuerza que actúa sobre el pistón

- 𝑀𝑎 = 0,216𝑘𝑔 + 0,142𝑘𝑔

- 𝑀𝑎 = 0,358 𝑘𝑔

- _{𝐹𝑎 = 0,358 𝑘𝑔⦁2418,05 𝑚 𝑠}⁄ ₂

- 𝐹𝑎 = 865,66 𝑁

El motor monocilíndrico gira a 9500 rpm, forma un ángulo de la manivela de 60°. A 9500 rpm la motocicleta pulsar 200cc alcanza su máxima potencia como indica el manual de usuario. Por tanto, se evalúa el rendimiento límite de operación.

o) Ángulo de la biela en grados p) Posición del pistón

q) Velocidad instantánea del pistón r) Velocidad media del pistón

s) Velocidad máxima del pistón y su ángulo t) Aceleración del pistón

(33)

x=cosα a=2 b=1/λ c=-1

Tabla 7. Parámetros del motor a 9500 rpm

n:9500 rpm α: 60° l: 89,75mm S: 49 mm i: monocilíndrico

𝑟 =𝑠 2=

49𝑚𝑚

2 = 24,5𝑚𝑚

𝜆 =𝑟 𝑙 =

24,5𝑚𝑚

89,75𝑚𝑚= 0,27

Tabla 8. Cálculos a altas revoluciones

o) Grado de oblicuidad de la biela

- 𝑠𝑒𝑛𝛽 = 0,27⦁𝑠𝑒𝑛 60°

- 𝑠𝑒𝑛𝛽 = 0,23

- 𝛽 = 𝑠𝑒𝑛−1_⦁(0,23)

- 𝛽 = 13,30°

p) Posición del pistón

𝑥 = 𝑟 ∙ (1 − 𝑐𝑜𝑠𝛼) + 𝑙[1 − √1 − 𝜆2 _{∙ 𝑠𝑒𝑛}2 _𝛼]

- 𝑥 = 24,5𝑚𝑚(1 − 𝑐𝑜𝑠60°) + 89,75𝑚𝑚[1 − √1 − (0,27)2_{𝑠𝑒𝑛 2 (60)]}

- 𝑥 = 12,25𝑚𝑚 + 89,75[1 − 0,97]

- 𝑥 = 14,94 𝑚𝑚

q) Velocidad instantánea del pistón

- 𝑉 = 𝜋⦁𝑛

30000⦁24,5𝑚𝑚[𝑠𝑒𝑛 60° + 0,27

2 ⦁𝑠𝑒𝑛 2 (60)]

- 𝑉 =𝜋⦁9500𝑟𝑝𝑚

30000 ⦁24,5𝑚𝑚 ⦁ (0,98)

- _{𝑉 = 24,37 𝑚 𝑠}⁄

r) Velocidad media del pistón

𝑉𝑚 = S⦁n

30000

- 𝑉𝑚 =49mm⦁(9500rpm)

30000

- _{𝑉𝑚 = 15,51 𝑚 𝑠}⁄

s) Velocidad máxima del pistón y su ángulo

2 𝑐𝑜𝑠2_{𝛼 +}1

𝜆cos 𝛼 − 1

- 𝑎𝑥2_{+ 𝑏𝑥 + 𝑐 = 0}

- 𝑥 =−𝑏±√𝑏2−4𝑎𝑐

2𝑎

−1 0,27±√(

1

𝜆)2−4(2)(−1)

2⦁2

- 𝑐𝑜𝑠𝛼 =−3,70±√13,71+8

4

- 𝑐𝑜𝑠𝛼1=−3,70±√13,71+8₄

- 𝑐𝑜𝑠𝛼1=−3,70±(4,66)₄

- 𝛼1= 76,11°

𝜆

2⦁𝑠𝑒𝑛 2 𝛼1)

- _{𝑉𝑚𝑎𝑥 = 24,37 𝑚 𝑠}⁄ (𝑠𝑒𝑛(76,11) +0,27

2 ⦁𝑠𝑒𝑛 2 (76,11))

- _{𝑉𝑚𝑎𝑥 = 24,37 𝑚 𝑠}⁄ − 1,03368

- _{𝑉𝑚𝑎𝑥 = 23,33 𝑚 𝑠}⁄

t) Aceleración del pistón

- 𝑎 = (𝜋⦁𝑛

30) 2 24,5𝑚𝑚

1000 (𝑠𝑒𝑛60° + 0,27⦁ cos 2 (60))

- 𝑎 =989701,99⦁24,5𝑚𝑚

1000 (0,36)

(34)

Tabla 8. (Cont.) u) Fuerza que actúa sobre el pistón

- 𝑀𝑎 = 0,216𝑘𝑔 + 0,142𝑘𝑔

- 𝑀𝑎 = 0,358 𝑘𝑔

- _{𝐹𝑎 = 0,358 𝑘𝑔⦁8729,17 𝑚 𝑠}⁄ 2

(35)

(36)

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Para realizar los ensayos no destructivos y análisis CAE de los elementos se tomaron en cuenta 2 aspectos tanto para el diseño estándar, como para el rediseño. Estos aspectos son la fuerza resultante a aplicarse en la cabeza del pistón y las revoluciones del motor, siendo estas directamente proporcionales entre sí.

Los análisis a realizarse serán en tres distintas condiciones de trabajo el resultado de mayor relevancia a obtener, debido a lo cual da confianza y fiabilidad de los diseños es el “Factor de Seguridad”, el cual, según el ASME, debe ser mínimo de 4,2/10.

3.1. DISEÑO ESTÁNDAR

Este contenido lo tomamos como punto de comparación, para verificar en lo posterior, los cambios realizados en la geometría y propiedades físicas del diseño.

A continuación, se detallan en la tabla 9 los resultados de mayor relevancia del análisis CAE del diseño estándar, en regímenes de trabajo de 1450, 5000 y 9500 rpm.

Tabla 9. Diseño estándar del motor

Especificación Gráfico Resultados / observaciones

Ensamble del mecanismo sin aplicación de cargas.

En el diseño mostrado en el gráfico, tenemos el dimensionamiento original de cada uno de los elementos que componen el mecanismo. Las masas del pistón y del brazo de biela son detallados a continuación:

𝑚𝑃𝑖𝑠𝑡ó𝑛 = 165,07 𝑔 𝑚𝐵𝑖𝑒𝑙𝑎 = 142,01 𝑔

Análisis CAE a 1450 rpm, con una fuerza resultante en la cabeza del pistón de 72,80 N.

(37)

Tabla 9. (Cont.)

Tensión (Von-Mises) Mínima: 0,0006 N/m2

Máxima: 1 144 230,375 N/m2

Factor de seguridad. Mínimo: 10/10 Màximo:10/10

Tensión (Von-Mises) Mínima: 0,01 N/m2 Máxima: 13 605 966 N/m2

Factor de seguridad. Mínimo: 5.1/10 Máximo:10/10

3.2. DISEÑO MODIFICADO

(38)

Tabla 10. Parámetros del rediseño del motor

ESTÁNDAR REDISEÑO

PISTÓN

𝑀𝑎𝑠𝑎 = 165,07 𝑔 𝑀𝑎𝑠𝑎 = 162,79 𝑔

Para realizar la mejora geométrica y reducción de masa, se realizarón perforaciones y ranurados en las faldas del pistón.

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑖𝑠𝑚𝑖𝑛𝑢𝑖𝑑𝑎: 2,28 𝑔 BRAZO DE BIELA

𝑀𝑎𝑠𝑎 = 142,01 𝑔 𝑀𝑎𝑠𝑎 = 135,10 𝑔

Para realizar la mejora geométrica y reducción de masa, se realizó una reducción en el espesor de el cuello del brazo de biela.

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑖𝑠𝑚𝑖𝑛𝑢𝑖𝑑𝑎: 6,91 𝑔

(39)

Tabla 11. Resultados del rediseño del motor

Especificación Gráfico Resultados/observaciones

Ensamble del mecanismo sin aplicación de cargas.

En el diseño mostrado en el gráfico, tenemos el mecanismo con las variaciones geométricas realizadas tanto al pistón como al brazo de biela. Las masas del pistón y del brazo de biela son detallados a continuación:

𝑚𝑃𝑖𝑠𝑡ó𝑛 = 162,79 𝑔 𝑚𝐵𝑖𝑒𝑙𝑎 = 135,10 𝑔

(40)

Factor de seguridad. Mínimo: 4.46/10 Màximo:10/10

3.3. PROPIEDADES QUÍMICAS DE LOS MATERIALES

La tabla 12 describe el tipo de material compuesto de los elementos del motor considerados en el estudio. Dentro de las propiedades relevantes se aprecia la masa medida en gramos, la densidad determinada en kilogramos/metros cúbicos y elasticidad calculado en newtons por milímetros al cuadrado.

Tabla 12. Datos de las propiedades químicas del motor

Especificación de materiales

Elemento Material Masa

(g)

Densidad (kg/m3₎

Módulo de elasticidad (n/mm2₎ Pistón

Aleación de

alúmina 165.07 3718 69000

Pistón modificado

Aleación de

alúmina 162,79 3718 69000

Bulon

Acero

(41)

Tabla 12. (Cont.)

Brazo de biela

Acero al carbono fundido

142.01 7800 200000

Brazo de biela modificado

135.10 7800 200000

Tapa de biela

58.83 7800 200000

Cojinete

6,98 7800 200000

Cigueñal

Fundición

(42)

(43)

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

4.1. CONCLUSIONES

 Se obtuvo un modelado 3D de los principales elementos que conforman el mecanismo biela-manivela, con la finalidad de realizar ensayos no destructivos que arrojen datos reales de comportamiento del motor.

 Se realizaron varios análisis CAE, tomando en cuenta especificaciones técnicas del vehículo, para aplicar de forma correcta las cargas que actúan sobre este.

 Se obtuvieron valores de tensión dentro del mecanismo, el mismo que nos indica la ubicación del punto más crítico, teniendo como consideración primordial dicho punto al momento de realizar modificaciones geométricas de los elementos.

 Se determinó que el cuello de del brazo de biela es el punto crítico del mecanismo, ya que en ese punto de inflexión existe un considerable cambio de sección.

 Se obtuvo como dato, que el diseño estándar a 9500 revoluciones, cuenta con un factor de seguridad de 5.1/10, satisfaciendo de esta manera el criterio de evaluación dado por el código ASME, el cual es de 4,2/10.

 Mediante el rediseño se obtuvo una reducción de masa en el mecanismo de 9,19 gramos, teniendo en cuenta que, al momento de realizar una disminución de masa, se reducen las pérdidas por peso y por ende mejora el rendimiento y potencia del motor.

 Se obtuvo como dato, que el diseño con mejoras geométricas a 9500 revoluciones, cuenta con un factor de seguridad de 4.46/10, satisfaciendo de esta manera el criterio de evaluación dado por el código ASME, que es de 4,2/10.

 Mediante el análisis CAE y los ensayos no destructivos, se concluyó en la confiabilidad del rediseño realizado, puesto que fueron consideradas todas las especificaciones técnicas dadas en las fichas del vehículo.

4.2. RECOMENDACIONES

 Se recomienda realizar en otro software CAE los análisis y ensayos no destructivos, con el fin de obtener un segundo punto de vista y ratificar los datos ya obtenidos.

 Se recomienda realizar ensayos no destructivos en bancos dinamométricos, con la finalidad de realizar comparaciones de datos obtenidos.

(44)

(45)

(46)

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(49)

ANEXOS

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