UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO SIMULADOR EN
CORTE DEL FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR CICLO OTTO
DE 4 CILINDROS CON VARIADOR DE REVOLUCIONES
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
DANNY JAIR VILLEGAS BUÑAY
DIRECTOR: ING. ALEX GUZMÁN
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1722162144
APELLIDO Y NOMBRES: Villegas Buñay Danny Jair
DIRECCIÓN: Adrián Navarro S11-253 y Ricardo Valdivieso
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 023817263
TELÉFONO MOVIL: 0992531671
DATOS DE LA OBRA
TÍTULO:
“Diseño y construcción de un banco simulador en corte del funcionamiento de un
motor ciclo Otto de 4 cilindros con variador de revoluciones”
AUTOR O AUTORES: Danny Jair Villegas Buñay
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN: Septiembre 2017
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN: Guzmán Antamba Alex Rodolfo
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TÍTULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: Mínimo 250 palabras
El presente trabajo de titulación se basó en el diseño y construcción de un banco simulador en corte del funcionamiento de un motor ciclo Otto de 4 cilindros con variador de revoluciones, que permita, a través de la observación directa, comprender su funcionamiento y comportamiento interno. Se indica la recopilación bibliográfica de conceptos generales de funcionamiento de los componentes de un motor de combustión interna, así como del funcionamiento de los diferentes elementos constitutivos del banco simulador. La selección del motor térmico es
en base a parámetros puestos en una tabla comparativa que permitió seleccionar el motor Nissan GA16DNE que sirvió como punto de partida para la elaboración práctica del trabajo de titulación. Se realizó los cortes necesarios que permitan la visualización interna del motor para lo que se inició con un trazado y un posterior mecanizado. A través de una tabla se comparó y determinó el motor eléctrico óptimo para la puesta en marcha del banco, teniendo como resultado un motor trifásico de 0.75 HP a 1800 rpm, el mismo que cumple con los requerimientos establecidos. Por medio de la implementación de un variador de frecuencia, se controla el régimen de giro del motor eléctrico. Se construyó la estructura que soporta una masa total de 75.96 Kg ejerciendo una fuerza total de 744.4 N, con acero estructural tubular cuadrado ASTM-A500 de 40 mm de lado y 2 mm de espesor, seleccionado tras un cálculo para el diseño de vigas y columnas para determinar la viabilidad de construcción. La estructura tiene dimensiones generales de 800 mm de largo 800 mm de altura y 600 mm de profundidad. Para controlar el sistema simulador se implementó un tablero que permita encender, apagar y variar la velocidad de giro del banco.
PALABRAS CLAVES: Motor de combustión interna, motor eléctrico,
variador de frecuencia, banco simulador,
ABSTRACT:
machining. Through a table it was compared and determined the optimal electrical engine to generate movement to the bank, resulting in a three-phase engine with 0.75 HP to 1800 rpm, which comply with the established requirements. Through the implementation of a frequency inverter, the rotation speed of the electrical engine can be controlled. The structure was built supporting a total mass of 75.96 Kg and a total force of 744.4 N, with the ASTM-A500 tubular square structural steel of 40 millimeters of side and 2 millimeters of thickness, selected through of the design of beams and columns to determine the feasibility of construction. The structure has general dimensions of 800 mm long, 800 mm high and 600 mm deep. The structure has general dimensions of 800 mm of length 800 mm of height and 600 mm of depth. To control the simulator system was implemented a board that allows to turn on, turn off and change the rotation speed of the bank.
KEYWORDS Internal combustion engine, electrical
engine, speed variator, simulator bank
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.
f: __________________________________________
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, VILLEGAS BUÑAY DANNY JAIR, CI 172216214-4 autor/a del proyecto titulado: Diseño y construcción de un banco simulador en corte del funcionamiento de un motor ciclo Otto de 4 cilindros con variador de revoluciones previo a la obtención del título de
INGENIERO AUTOMOTRIZ en la Universidad Tecnológica Equinoccial.
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 Tecnológica Equinoccial 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.
Quito, 06 de septiembre de 2017
f: ________________________________________
VILLEGAS BUÑAY DANNY JAIR
DECLARACIÓN
Yo DANNY JAIR VILLEGAS BUÑAY declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_________________________ Danny Jair Villegas Buñay
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño y construcción de un banco simulador en corte del funcionamiento de un motor ciclo Otto de 4 cilindros con variador de revoluciones”, que, para aspirar al título de Ingeniero Automotriz fue desarrollado por Danny Jair Villegas Buñay, 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. Alex Guzmán Antamba DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
Este trabajo de titulación se lo dedico de manera especial a mi hermano Joandry VIllegas, quien es parte fundamental de mi vida, con quien he crecido y aprendido muchas cosas, siempre me ha brindado su apoyo incondicional convirtiendose en el motivo para superarme cada dia.
AGRADECIMIENTO
Con mucho cariño y amor quiero agradecer a mis padres, Teodoro Villegas y Angelica Buñay, quienes dia a dia me han brindan todo su apoyo incondicional, siendo ellos el pilar fundamental para cumplir este sueño tan anhelado y por hacer de mi una buena persona y un excelente profesional. A mi familia por apoyarme, aconsejarme y alentarte en cada momento de mi vida, ayudandome a crecer como ser humano y enseñandome que cada tropiezo es una nueva oportunidad de éxito.
ÍNDICE DE CONTENIDOS
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RESUMEN 1
ABSTRACT 2
1. INTRODUCCIÓN 3
2. METODOLOGÍA 15
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 17
3.1. SELECCIÓN DE MOTOR TÉRMICO 17
3.2. SELECCIÓN DE MOTOR ELÉCTRICO 19
3.2.1. REQUISITOS MECÁNICOS DE LA CARGA IMPULSADA 19
3.2.2. CLASIFICACIÓN DEL MOTOR 20
3.2.3. VOLTAJE Y FRECUENCIA 20
3.2.4. CONSIDERACIONES FÍSICAS Y DEL ENTORNO 21
3.2.5. SELECCIÓN 21
3.3. VARIADOR DE FRECUENCIA 22
3.4. PROCESOS EN EL MOTOR TÉRMICO 22
3.4.1. TRAZADO 22
3.4.2. SECCIONADO DEL MOTOR 24
3.4.2.1. Bloque 24
3.4.2.2. Cabezote 25
3.4.2.3. Tapa de válvulas 26
3.4.3. ACABADO SUPERFICIAL 27
3.4.3.1. Fondeado 27
3.4.3.2. Selección de colores 28
3.4.3.3. Pintado 29
3.4.4. ENSAMBLAJE DEL MOTOR 29
3.5. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA 30
3.5.1. CONSIDERACIONES DE DISEÑO 30
3.5.2. CÁLCULOS DE DISEÑO 31
3.5.3. SELECCIÓN DE MATERIAL 35
3.5.4. ANÁLISIS Y SIMULACIÓN 36
3.5.5. CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA 36
3.6. MONTAJE DEL SISTEMA DEL BANCO SIMULADOR 38
3.6.1. INSTALACIÓN DE ELEMENTOS 38
3.6.2. IMPLEMENTACIÓN DE TRANSMISIÓN 39
3.6.4. CONECCIONES ELÉCTRICAS 42
3.6.5. TACÓMETRO DIGITAL 43
3.7. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO 44
3.7.1. ARRANQUE DEL BANCO SIMULADOR 45
3.7.2. DESPLAZAMIENTO Y GIRO DE ELEMENTOS 45
3.7.3. SISTEMA DE LUCES LED 46
3.7.4. MOTOR ELÉCTRICO Y TRANSMISIÓN DE POTENCIA 46 3.7.5. SISTEMA ELÉCTRICO Y PANEL DE CONTROL 46
3.7.6. SISTEMA DE LUBRICACIÓN 47
3.7.7. OTROS ELEMENTOS 47
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 49
4.1. CONCLUSIONES 49
4.2. RECOMENDACIONES 50
5. BIBLIOGRAFÍA 51
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Especificaciones generales los motores 17
Tabla 2. Tabla comparativa de motores 17
Tabla 3. Especificaciones del motor Nissan 18
Tabla 4. Especificaciones de los motores eléctricos 21 Tabla 5. Tabla comparativa de motores eléctricos 21 Tabla 6. Velocidad de corte y de avance según el tipo de material 24
Tabla 7. Tiempos de mecanizado 27
Tabla 8. Selección de colores 28
Tabla 9. Masa y peso de los elementos 30
Tabla 10. Propiedades de tubo cuadrado de acero ASTM - A500 31 Tabla 11. Especificaciones del microcontrolador 44 Tabla 12. Resultados de las pruebas de arranque 45 Tabla 13. Resultados de la prueba de velocidad mínima 45 Tabla 14. Resultados de las pruebas de funcionamiento 45 Tabla 15. Prueba de frecuencia de encendido de luces LED 46
Tabla 16. Prueba de botonera 46
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Motor con mecanismo biela manivela 4
Figura 2. Diagrama P-V del ciclo Otto 5
Figura 3. Partes de un motor alternativo 6
Figura 4. Transmisión por poleas y banda 9
Figura 5. parámetros de diseño para una transmisión por correa 10
Figura 6. Tipos de columnas 12
Figura 7. Motor Nissan GA16DNE 18
Figura 8. Medición de par resistente 19
Figura 9. Motor eléctrico seleccionado 22
Figura 10. Variador de frecuencia seleccionado 22
Figura 11. Motor desarmado 23
Figura 12. Trazado bloque del motor a: vista frontal, b: vista lateral 23
Figura 13. Trazado cabeza del motor 23
Figura 14. Trazado tapa de válvulas 24
Figura 15. Proceso de fresado en el bloque del motor 25
Figura 16. Corte en el bloque del motor 25
Figura 17. Proceso de fresado en la cabeza del motor 26
Figura 18. Corte en la cabeza del motor 26
Figura 19. Corte en la tapa de válvulas 27
Figura 20. Fondeado 28
Figura 21. Aplicación de pintura mediante pistola de pulverización 29
Figura 22. Pintado de los elementos 29
Figura 23. Motor ensamblado 30
Figura 24. Diseño preliminar de la estructura 31
Figura 25. Valores K para columnas aisladas 32
Figura 26. Fuerzas cortantes y momento flector máximo viga AB 34 Figura 27. Fuerzas cortantes y momento flector máximo viga CD 34
Figura 28. Centroide de tubo cuadrado 35
Figura 29. Simulación de la estructura 36
Figura 30. Proceso de soldadura 37
Figura 31. Estructura armada 37
Figura 32. Montaje del motor térmico 38
Figura 33. Instalación del motor eléctrico 38
Figura 34. Tipo de perfil de correas trapezoidales 39
Figura 35. Plano de polea conductora 40
Figura 36. Plano de polea conducida 40
Figura 37. Sistema de transmisión 41
Figura 41. Diagrama eléctrico sistema de encendido de luces LED 43
Figura 42. Componentes del microcontrolador 43
Figura 43. Esquema del microcontrolador 44
ÍNDICE DE ANEXOS
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ANEXO 1. Factor de seguridad para cálculo de potencia efectiva 53 ANEXO 2. Datos técnicos de motor Siemens 1LE0142-0DB26-4AA4-Z 54 ANEXO 3. Ficha técnica del variador de frecuencia modelo IST230 S15B 55 ANEXO 4. Catálogo de tipos de perfiles estructurales 57 ANEXO 5. Plano de construcción de la estructura 58 ANEXO 6. Plano del diagrama del sistema eléctrico del banco simulador 59 ANEXO 7. Plano de diagrama eléctrico de encendido de la chispa 60 ANEXO 8. Manual de usuario del banco simulador 61
ANEXO 9. Sección de conductor eléctrico 70
ANEXO 10. Codificación del microcontrolador 71
RESUMEN
El presente trabajo de titulación se basó en el diseño y construcción de un banco simulador en corte del funcionamiento de un motor ciclo Otto de 4 cilindros con variador de revoluciones, que permita, a través de la observación directa, comprender su funcionamiento y comportamiento interno. Se indica la recopilación bibliográfica de conceptos generales de funcionamiento de los componentes de un motor de combustión interna, así como del funcionamiento de los diferentes elementos constitutivos del banco simulador. La selección del motor térmico es en base a parámetros puestos en una tabla comparativa que permitió seleccionar el motor Nissan GA16DNE que sirvió como punto de partida para la elaboración práctica del trabajo de titulación. Se realizó los cortes necesarios que permitan la visualización interna del motor para lo que se inició con un trazado y un posterior mecanizado. A través de una tabla se comparó y determinó el motor eléctrico óptimo para la puesta en marcha del banco, teniendo como resultado un motor trifásico de 0.75 HP a 1800 rpm, el mismo que cumple con los requerimientos establecidos. Por medio de la implementación de un variador de frecuencia, se controla el régimen de giro del motor eléctrico. Se construyó la estructura que soporta una masa total de 75.96 Kg ejerciendo una fuerza total de 744.4 N, con acero estructural tubular cuadrado ASTM-A500 de 40 mm de lado y 2 mm de espesor, seleccionado tras un cálculo para el diseño de vigas y columnas para determinar la viabilidad de construcción. La estructura tiene dimensiones generales de 800 mm de largo 800 mm de altura y 600 mm de profundidad. Para controlar el sistema simulador se implementó un tablero que permita encender, apagar y variar la velocidad de giro del banco.
ABSTRACT
The present work was based on the design and construction of a cut simulator bank to show the operation of a cycle Otto 4 cylinders engine with a speed variator, that allows, through the direct observation, to understand its operation and internal behavior. The bibliographical compilation of general concepts of operation of the components of an internal combustion engine, as well as the operation of the different constituent elements of the simulator bank are indicated. The selection of the internal combustion engine is based on parameters set in a comparative table that allowed to select the engine Nissan GA16DNE that was used as starting point for the development of the work. The necessary cuts were made to allow the internal visualization of the engine for what was started with a layout and a subsequent machining. Through a table it was compared and determined the optimal electrical engine to generate movement to the bank, resulting in a three-phase engine with 0.75 HP to 1800 rpm, which comply with the established requirements. Through the implementation of a frequency inverter, the rotation speed of the electrical engine can be controlled. The structure was built supporting a total mass of 75.96 Kg and a total force of 744.4 N, with the ASTM-A500 tubular square structural steel of 40 millimeters of side and 2 millimeters of thickness, selected through of the design of beams and columns to determine the feasibility of construction. The structure has general dimensions of 800 mm long, 800 mm high and 600 mm deep. The structure has general dimensions of 800 mm of length 800 mm of height and 600 mm of depth. To control the simulator system was implemented a board that allows to turn on, turn off and change the rotation speed of the bank.
1. INTRODUCCIÓN
El estudio del motor de combustión interna es fundamental en la formación técnica de un ingeniero automotriz, y conocer sus partes fijas y móviles es indispensable para comprender el funcionamiento del mismo.
Con el fin de contribuir significativamente en el desarrollo técnico y práctico en la formación de un ingeniero automotriz se diseñó y construyó un banco simulador de un motor Otto seccionado que permitan una visualización interna y con variador de giro para ver su comportamiento en tiempo real a diferentes revoluciones, como complemento al aprendizaje teórico, que genere bases sólidas en el estudiante, proporcionándole una metodología diferente que ayude a una mejor comprensión y entendimiento, ampliando los conocimientos y fortaleciendo los fundamentos en el estudio de motores y materias afines.
Como objetivo principal para la realización del proyecto se estableció diseñar y construir un banco simulador en corte del funcionamiento de un motor Otto de 4 cilindros con variador de revoluciones.
Se realizó una investigación bibliográfica acerca de las características de funcionamiento del motor de combustión interna, los sistemas mecánicos que lo componen y los movimientos que se generan dentro de este, con el fin de utilizarlos en el desarrollo del banco simulador.
Se investigó y seleccionó las técnicas de corte de materiales adecuadas para aplicar en el motor de tal manera que permita observar las partes principales que lo componen y los movimientos que se generan en su interior.
Posterior a la investigación y selección se diseñó un soporte o bancada para el motor y los accesorios del banco simulador.
Se implementó un motor eléctrico que proporcione el giro regulable al motor de combustión interna.
Finalmente, se desarrolló pruebas de funcionamiento con el banco simulador para la puesta a punto.
Los motores de combustión interna son máquinas que permiten obtener energía mecánica directamente utilizable a partir de energía térmica mediante un proceso de combustión producido por una mezcla de aire y combustible, como su nombre lo indica el proceso de combustión tiene lugar en el interior del propio espacio de trabajo (Payri & Desantes, 2011).
Los motores alternativos son motores de combustión interna que transforman el movimiento lineal producto de la fuerza de la combustión en un movimiento giratorio por medio de un sistema mecánico de biela-manivela como se observa en la figura 1 (Merino, 2017).
termodinámico, al igual que los de su grupo aprovechan la energía calorífica y la transforman en energía mecánica que es aprovechada por su eje motriz.
Figura 1. Motor con mecanismo biela manivela (NZDL, 2017)
El motor Otto debe su nombre al ciclo termodinámico en el cual se basa, que se caracteriza porque en una primera aproximación teórica, todo el calor se aporta a volumen constante. La transformación de energía se realiza en cuatro fases o tiempos de trabajo, durante las cuales el embolo efectúa cuatro desplazamientos o carreras alternativas (Sanz, 2000).
La primera fase se conoce como admisión y se produce en el momento que el pistón desciende desde el punto muerto superior (PMS) con la válvula de admisión abierta, aumentando el volumen, permitiendo el ingreso de la mezcla aire y combustible. Al estar la válvula abierta la presión que se genera en el cilindro es igual a la exterior, es decir, se produce una expansión a presión constante, como se observa en la línea recta E→A de la figura 2.
El recorrido que efectúa el pistón entre el PMS y el PMI se conoce como carrera, que multiplicada por el área del pistón en función de su diámetro se determina el volumen o cilindrada unitaria, dada por la ecuación [1].
𝑉𝑢 = 𝐴 ∙ 𝑆 ='∙(*)∙ 𝑆 [1]
Donde:
Vu: Cilindrada unitaria (cm3) A: Área del pistón (cm2)
S: Carrera (cm)
D: Diámetro del pistón (cm)
Para obtener la cilindrada total del motor se multiplica la cilindrada unitaria por el número de cilindros que posee. Como indica la ecuación [2]
Donde:
Vt: Cilindrada total del motor (cm3)
z: Número de cilindros
Figura 2. Diagrama P-V del ciclo Otto (Payri & Desantes, 2011)
El segundo tiempo es la compresión, en esta fase el pistón, que se encuentra en el punto muerto inferior (PMI), asciende comprimiendo la mezcla, con la válvula de admisión cerrada de tal manera que se incrementa la presión disminuyendo el volumen (A→B), dada la velocidad del proceso, se supone que la mezcla no intercambia calor con el ambiente, por lo que se considera un proceso adiabático. La presión final alcanzada por la mezcla en la cámara está en función de la relación de compresión del motor, la cual está determinada por la relación existente entre el volumen total del cilindro y el volumen de la cámara de combustión.
El proceso de combustión se realiza en virtud del salto de la chispa, el trabajo generado en la combustión calienta bruscamente el aire, que incrementa su temperatura a volumen prácticamente constante (B→C).
La siguiente fase es el tiempo de expansión, donde la alta temperatura del gas, empuja al pistón hacia el PMI, realizando trabajo sobre él. De igual manera que en la compresión, al ser un proceso muy rápido se aproxima a una curva adiabática (C→D). La fuerza que es generada en el proceso de combustión es conocida como fuerza de empuje, que multiplicada por la longitud de la manivela del cigüeñal da como resultado el par motor, como se aprecia en la ecuación [3].
𝑀 = 𝐹 ∙ 𝑙 [3]
Donde:
M: Par motor (Nm) F: Fuerza (N)
Finalmente, el último tiempo es el de escape que inicia cuando el pistón se encuentra en el PMI, entonces se abre la válvula de escape y el pistón asciende descargando mediante el empuje los gases quemados producto de la combustión. Este tiempo ocurre en dos fases. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece casi constante y tenemos la isocora (D→A). Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, empleamos la isobara A→E, cerrando el ciclo termodinámico (Payri & Desantes, 2011). El motor alternativo de combustión interna ciclo Otto se compone de varias partes tanto externas como internas, todas estas dispuestas en tres bloques principales: la culata, el bloque y el carter, como se observa en la figura 3.
Figura 3. Partes de un motor alternativo (García, 2011)
El bloque es la estructura principal del motor, en esta se encuentran el cilindro, que es la parte en cuyo interior se mueve el pistón con un movimiento lineal alternativo, este a su vez está anclado a la biela por medio de un bulón y en conjunto transmiten la fuerza hacia el cigüeñal, que es el elemento encargado de transformar el movimiento alternativo en rotatorio o circular.
El pistón posee segmentos en donde van instalados unos aros que son los que impiden que los gases se escapen, provocando pérdidas de potencia. En la parte superior del bloque se encuentra la culata, en donde se intalan las válvulas de admisión y escape, el eje de levas y las bujías.
En los motores ciclo Otto una bujía se encarga de producir la chispa que permite que la mezcla comprimida explosione.
En la parte inferior del motor se encuentra el cárter, que sirve como depósito del aceite que utiliza el sistema de lubricación del motor (Martinez, 2007). La escala constructiva correspondiente al número de cilindros empleados por los constructores es muy amplia, y estos dependiendo de su disposición pueden ser motores en línea, opuestos, en v, horizontales opuestos y en estrella. En cualquiera de las disposiciones los puntos de ataque de los pistones se concentran sobre un eje principal (cigüeñal).
Los motores con cilindros en linea son construidos en un solo bloque donde los cilindros están dispuestos de manera vertical uno a continuación de otro (Sanz, 2000).
El trazado es un proceso previo al mecanizado que consiste en trasladar a la pieza o piezas el dibujo o forma de las mismas de tal manera que sirva como guía en el proceso de mecanizado (Vidondo & Alvarez, 1998).
El proceso de corte consiste en la remoción de material de la superficie de una pieza con el fin de obtener una cierta forma de la pieza y/o un determinado acabado superficial (Lutjen & Schubler, 1990).
Existen diferentes técnicas de corte o seccionamiento de una pieza:
Los cortes por planos paralelos se utilizan en piezas que tienen un número importante de elementos que no pueden ser seccionados por un plano único, por lo que es necesario adoptar varios planos perpendiculares entre sí para pasar por todos ellos.
Los cortes por planos sucesivos son usados cuando los planos de corte forman un ángulo distinto al recto entre sí. Se representa la proyección sobre la vista que indican las flechas que identifican el corte.
Los cortes por dos planos concurrentes se puede realizar este tipo de corte en piezas que tengan dos planos principales concurrentes en un eje perpendicular a uno de los planos de proyección.
Los medios cortes se limita a piezas simétricas, el medio corte tiene la ventaja de mostrar tanto el interior como el exterior de una pieza en una sola vista. Los cortes parciales son cortes muy prácticos donde los orificios se encuentran en un pequeño sector de la pieza por lo que no sería necesario hacer un corte total, sino que se delimita el corte en base a la zona (INEN, 2013).
La velocidad de corte es la velocidad lineal de la periferia de una herramienta acoplada a una máquina herramienta, esta se fija de acuerdo a la calidad del material y de la herramienta (Vidondo & Alvarez, 1998).
A partir de la velocidad de corte, se calcula el número de vueltas al cual debe girar la herramienta, como se aprecia en la ecuación [4].
Donde:
n: Revoluciones por minuto (rpm) Vc: Velocidad de corte (m/min) d: Diámetro de la herramienta (mm)
Los motores eléctricos son máquinas que transforman la energía eléctrica en energía mecánica a través de medios electromagnéticos (Videla, 2007). Los motores tanto de corriente alterna (AC) como los de correinte continua (DC) basan su funcionamiento en un mismo principio, si un conductor por el que pasa corriente eléctrica se encuentra en un campo magnético, este tiende a desplazarse a las lineas de acción de dicho campo (López, 2013).
Dentro de los motores eléctricos se tiene los motores de corriente alterna asíncronos. Se da el nombre de motor asíncrono al motor de corriente alterna cuya parte móvil gira a una velocidad distinta a la del sincronismo (Chapman, 2012).
La potencia útil o potencia necesaria en el arranque de un motor eléctrico para un mecanismo giratorio está dada en función del par resistente multiplicado por la velocidad de giro como se indica en la ecuación [5].
𝑃4 =;<<49∙: [5]
Donde:
P0: Potencia requerida (kW)
M: Par resistente (Nm) n: Régimen de giro (rpm)
Sin embargo, en la práctica la potencia requerida del motor para poner en funcionamiento el mecanismo es algo mayor, ya que hay que considerar el rendimiento mecánico del mismo en la transformación de energía, así como un coeficiente de seguridad, por lo tanto, la potencia nominal del motor está dada por la ecuación [6] (De Castro, 1990).
𝑃 = 𝑃4∙ 𝐴 ∙ 𝜂 [6]
Donde:
P: Potencia nominal del motor (kW) A: Factor de seguridad
h: Rendimiento del motor eléctrico
Las transmisiones mecánicas con movimiento rotacional se dividen en transmisiones por rozamiento transmisiones por engranajes, y estas a su vez se dividen en transmisiones de contacto directo o con enlaces flexibles. La eficiencia de una transmisión es la relación entre la potencia en el punto de salida del motor y la potencia entrante en el mecanismo, está dada por la ecuación [7].
𝐸 =?@
?A [7]
Donde: E: Eficiencia
P0: Potencia en el punto de salida kW
Pf: Potencia en el punto de entrada kW
El sistema de transmisión por polea y correa se emplea para transmitir la potencia mecánica proporcionada por el eje del motor entre dos ejes separados entre sí por una cierta distancia. La transmisión del movimiento por correas se debe al rozamiento de éstas sobre las poleas, de manera que ello sólo será posible cuando el movimiento rotórico y de torsión que se ha de transmitir entre ejes sea inferior a la fuerza de rozamiento. El valor del rozamiento depende, sobre todo, de la tensión de la correa y de la resistencia de ésta a la tracción (Budynas & Nisbett, 2008).
El sistema por correas, como se observa en la figura 4, se compone básicamente de dos ejes, un conductor y un conducido, con una polea cada uno, una correa es la encargada de transmitir el movimiento rotatorio, a los que se les puede añadir otros operadores como tensores cuya finalidad es mejorar el comportamiento del sistema.
Este sistema se emplea cuando no se quiere transmitir grandes potencias de un eje a otro. Su principal inconveniente se debe a que el resbalamiento de la correa sobre la polea produce pérdidas considerables de potencia; sobre todo en el arranque. Para evitar esto parcialmente se puede utilizar una correa dentada, que aumenta la sujeción (Cejarosu, 2005).
En todos los sistemas de transmisión, el aumento o disminución de velocidad depende de la relación de transmisión. La relación de transmisión es el cociente entre el diámetro de la polea conducida (d2) sobre el diámetro de la polea conductora (d1), o a su vez en función al número de vueltas de dichas poleas como se indica en la ecuación [8].
𝑖 =7C73 =:3:C [8]
Donde:
i: Relación de transmisión
d1: Diámetro de la polea conductora (cm) d2: Diámetro de la polea conducida (cm)
n1: Régimen de giro de la polea conductora (cm) n1: Régimen de giro de la polea conducida (cm)
Tomando en consideración la relación de transmisión, podemos clasificar al sistema como:
i > 1; transmisión reductora i < 1; transmisión multiplicadora i = 1: transmisión idéntica
Con la ecuación [9] se puede determinar el diámetro de las poleas, así como la velocidad de entrada y de salida del sistema de transmisión.
EL diseño de una transmisión por correa permite conocer las características dimensionales de los componentes del sistema, además incluye la estandarización de los componentes, en la figura 5 se observan algunos parámetros de diseños necesarios para realizar cálculos.
Figura 5. parámetros de diseño para una transmisión por correa (Castaño, 2013)
La distancia entre ejes (C) es la distancia entre el centro del eje conductor y el centro del eje conducido, en el diseño del sistema de transmisión se toma en cuenta la distancia máxima y mínima, como se aprecia en las ecuaciones
𝐶𝑚𝑖𝑛 = 0.7(𝐷1 + 𝐷2) [9]
𝐶𝑚𝑎𝑥 = 3.5(𝐷1 + 𝐷2) [10]
Donde:
Cmin: Distancia entre centros mínima (cm) Cmax: Distancia entre centros máxima (cm) D1: Diámetro de la polea conductora (cm) D2: Diámetro de la polea conducida (cm)
La longitud de la correa está dada en relación a los diámetros de las poleas y los ángulos de contacto de las mismas, como se aprecia en la ecuación [11].
𝐿 = 4𝐶C− (𝐷2 − 𝐷1)C+3
C(𝐷2 ∙ 𝛼2 + 𝐷1 ∙ 𝛼1) [11]
Donde:
L: Longitud de la correa (cm) C: Distancia entre centros (cm)
α1: Ángulo de contacto de la polea conductora (°) α2: Ángulo de contacto de la polea conducida (°)
Teniendo en cuenta que para el cálculo de los ángulos de contacto se utilizan las ecuaciones [12] y [13].
𝛼1 = 𝜋 − 2 ∙ sin[3 (C[(3
C\ [12]
𝛼2 = 𝜋 + 2 ∙ sin[3 (C[(3
C\ [13]
Donde:
α1: Ángulo de contacto de la polea conductora α2: Ángulo de contacto de la polea conducida
El tipo de correa para un sistema de transmisión está en función a la velocidad de rotación de la polea conductora y la potencia efectiva, esta última es el resultado del producto de la potencia nominal del motor por el factor de servicio dado por el anexo 1, como se aprecia en la ecuación [14].
𝑃𝑒 = 𝑃 ∙ 𝐹𝑠 [14]
Donde:
Pe: Potencia efectiva (kW)
La velocidad de eje de un motor eléctrico a voltaje, frecuencia y carga nominal se conoce como velocidad base, si se varia la frecuencia por encima o por debajo de la nominal, el motor trabaja por encima o debajo de la velocidad base respectivamente.
Los variadores de frecuencia son dispositivos que se basan en el principio de modificación de velocidad a través de la variación de frecuencia, pueden ser programados para modificar la velocidad de manera controlada.
Los controladores de frecuencia constan de un rectificador que convierte la corriente alterna de la línea de alimentación a corriente continua y de un inversor que convierte esta corriente continua en corriente alterna de frecuencia ajustable, que alimenta al motor (AP&C, 2017).
El diseño de vigas y columnas determinan la factibilidad de construcción de elementos estructurales sometidos a cargas.
La forma de calcular el esfuerzo de diseño depende de la manera de aplicar la carga y del tipo de material. Dentro de los tipos de carga están: estáticas, repetida e invertida, fluctuante, de impacto y aleatoria (Mott, 2006).
El comportamiento de las columnas depende de su esbeltez (λ), es decir, la relación entre su longitud y las dimensiones de las secciones transversales. Para esto es necesario tener en cuenta el comportamiento de columnas dependiendo de las condiciones de apoyo de sus secciones extremas (factor de longitud efectiva K) dada por la ecuación [15].
λ =`ab [15]
Donde:
λ: Relación de esbeltez
L: Longitud de la columna (cm) K: Factor de longitud efectiva r: radio de giro (cm)
De acuerdo con su relación de esbeltez las columnas se clasifican en columnas cortas, intermedias y largas, como se observa en la figura 6.
Para determinar el tipo de columna se compara la relación de esbeltez real con la relación de esbeltez de transición o constante de columna que está dada por la ecuación [16].
𝐶\ = C'de)∙c [16]
Donde:
Cc: Constante de columna
E: Módulo de elasticidad del material de la columna (Pa) Sy: Resistencia de fluencia del material (Pa)
Tomando en consideración este valor se puede definir a la columna como:
λ > Cc; Columna larga
λ < Cc; Columna corta
Si la columna es larga se emplea la ecuación de Euler, por el contrario, si la columna es corta o intermedia se emplea la fórmula de Johnson para determinar la carga crítica, dada por la ecuación [17] (Mott, 2006).
𝑃6b = 𝐴 ∙ 𝑆𝑦 ∙ 1 −*'ie∙j)∙c) [17]
Donde:
𝑃6b: Peso crítico de pandeo (N) A: Área (m2)
Sy: Resistencia de fluencia del material (Pa)
E: Módulo de elasticidad del material de la columna (Pa)
El objetivo del análisis y diseño de columnas es garantizar que la carga aplicada a una columna sea segura, que sea bastante menos que la carga crítica de pandeo, para ello aplicamos la ecuación [18]
𝑃k = ?lm
n [18]
Donde:
𝑃k: Peso o carga admisible (N) N: Factor de diseño
Las fuerzas cortantes son fuerzas internas generadas en el material de una viga para equilibrar las fuerzas externas aplicadas y garantizar el equilibrio en todas sus partes.
Por otro lado, los momentos flexionantes son momentos internos que se generan en el material de una viga para equilibrar la tendencia de las fuerzas externas de hacer que gire cualquier parte de ella (Mott, 2009).
Los esfuerzos normales son esfuerzos internos resultantes de las tensiones y compresiones de la misma, son usados para determinar la flexión de la viga utilizando la ecuación [19].
σ =9∙6p [19]
Donde:
σ: Esfuerzos normales (Pa) M: Momento flector (Nm)
2. METODOLOGÍA
Para la realización del trabajo de titulación este proyecto se inició con la recopilación bibliográfica respecto a conceptos generales de funcionamiento de los componentes de un motor de combustión interna.
Se seleccionó el motor térmico para el simulador del funcionamiento de un motor ciclo Otto de cuatro cilindros, se tomaron en cuenta factores como: características constructivas (dimensiones del motor, disposición de los cilindros, accesibilidad a elementos internos mediante cortes) especificaciones del motor, costos y disponibilidad en el mercado.
Los cortes y secciones en el motor térmico estuvieron basados en las cualidades constructivas del motor seleccionado, se inició con un trazado para su posterior mecanizado por fresadora, en función a los cálculos de velocidad de corte y el diámetro de la herramienta utilizando la ecuación [4].
Posteriormente se realizó un acabado superficial mediante un proceso de pintado, para lo cual se inició con el impregnado de un fondo para una mejor adherencia de la pintura. Se utilizó una variedad de colores que permitan diferenciar los diferentes elementos unos de otros.
Se seleccionó el motor eléctrico para acoplarlo al motor térmico y generar movimiento al mismo, tomando en cuenta parámetros de seguridad y viabilidad. Para esto se realizó una serie de consideraciones que determinen el motor eléctrico idóneo para el proyecto: requisitos mecánicos de la carga impulsada apoyados por la ecuación [5], clasificación del motor, voltaje, frecuencia, consideraciones físicas y de entorno.
Los requisitos mecánicos de carga impulsada fue el punto fundamental de partida en la elección del motor eléctrico, para iniciar este punto fue necesario determinar el par resistente a vencer con la ecuación [3] para posteriormente calcular la potencia nominal necesaria que demanda el movimiento del motor térmico a través de la ecuación [6].
Como complemento del motor eléctrico, se implementó un variador de frecuencia para controlar el régimen de giro, permitiendo al sistema trabajar a diferentes revoluciones de manera controlada.
Con el fin de corroborar los resultados del cálculo para el diseño de vigas y columnas se realizó un análisis mediante el software Autodesk Inventor, que confirmó la factibilidad de los materiales usados en la estructura.
Para el sistema transmisión de poleas y bandas del proyecto se determinó la dimensión de las poleas con la ecuación [8] tomando en cuenta la relación de transmisión que se requería. Se empleó ecuaciones [9] y [10] para calcular la distancia entre centros máxima y mínima, con la ecuación [11] se calculó la longitud de la correa y con la ecuación [14] la potencia efectiva para seleccionar el tipo de correa que utiliza el proyecto.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1. SELECCIÓN DE MOTOR TÉRMICO
El proyecto inició con la selección del motor térmico, tomando en cuenta la revisión bibliográfica obtenida en la introducción del presente trabajo de titulación, el cual sirve como simulador del funcionamiento de un motor ciclo Otto de cuatro cilindros.
El motor que será utilizado en el proyecto debe ser un motor de combustión interna ciclo Otto y debe contar con 4 cilindros dispuestos en línea.
Para lo cual, se propuso dos opciones que cuenten con estos requerimientos, en la tabla 1 se detallan especificaciones generales las opciones de motores.
Tabla 1. Especificaciones generales los motores
CARACTERISTICAS OPCION 1 OPCION 2
Marca Nissan Chevrolet
Modelo GA16DNE X16SZR
Clasificación Gasolina Gasolina
Año de fabricación 2003 1998
Disposición de cilindros 4 en línea 4 en línea
Disposición de válvuas DOHC SOHC
De las opciones de motor propuestas previamente se valoró la mejor opción que sirva como simulador del proyecto, como se detalla en la tabla 2, dicha valoración esta ponderada del 1 al 5 siendo 1 el puntaje más bajo y 5 el más alto.
Dentro de las características constructivas se tomaron en cuenta las dimensiones y el peso del motor, así como la disposición de las válvulas.
Tabla 2. Tabla comparativa de motores
MOTOR Ca ra c te ri s ti c a s co n st ru ct ivas Es ta d o f ís ic o Co s to Di s p o n ib il id a d TO TA L
OPCION 1 5 4 4 5 18
Teniendo en cuenta las características constructivas, el estado físico, la disponibilidad en el mercado y el costo con un puntaje de 18 puntos el motor que más se ajusta a las necesidades del proyecto es el Nissan GA16DNE, que se observa en la figura 7.
Figura 7. Motor Nissan GA16DNE
En la tabla 3 se detallan características específicas del motor seleccionado.
Tabla 3. Especificaciones del motor Nissan
Motor GA16DNE
Clasificación Gasolina
Disposición de los cilindros 4 en línea
Cilindrada cm3 (pulg3) 1600 (97.63)
Diámetro x carrera mm (pulg) 76.0 x 88.0 (2.992 x 3.465)
Disposición de las válvulas Doble árbol de Ievas en cabeza (D.O.H.C.) Orden de encendido 1 – 3 – 4 – 2 Número de anillos de pistones de
compresión 2
Número de anillos de pistones de
aceite 1
Número de cojinetes principales 5
Relación de compresión 9.5
Sistema de distribución Cadenas de rodillo
Peso Kg 65
Con la ecuación [1] se calcula la cilindrada real del motor que permite ampliar la ficha técnica para el manual de usuario.
𝑉𝑢 = 𝐴 ∙ 𝑆 =𝜋 ∙ 𝐷C 4 ∙ 𝑆
𝑉𝑢 =𝜋 ∙ (0.76 𝑐𝑚)C
4 ∙ 0.88 𝑐𝑚
𝑉𝑢 = 399.2 𝑐𝑚v
El valor obtenido es el volumen de cada cilindro, para obtener la cilindrada total del se aplicas la ecuación [2]
Vt = Vu ∙ z
Vt = 399.2 𝑐𝑚v∙ 4
Vt = 1596.8 𝑐𝑚v
3.2. SELECCIÓN DE MOTOR ELÉCTRICO
La selección del motor eléctrico se lo hizo en base a la investigación que se encuentra en la introducción del trabajo. Se realizó una serie de consideraciones que determinen el motor eléctrico idóneo para el proyecto.
3.2.1. REQUISITOS MECÁNICOS DE LA CARGA IMPULSADA
Para definir el comportamiento dinámico del motor eléctrico con el mecanismo giratorio (motor térmico), se calculó el par resistente del motor de combustión interna, con la ecuación [3], para lo cual se realizó la medición de la fuerza en el eje del cigüeñal con un dinamómetro, obteniendo una fuerza de 52.5 N en un radio de 100 mm de brazo como se observa en la figura 8.
𝑀 = 𝐹 ∙ 𝑙
𝑀 = 52.5 𝑁 ∙ 0.1 𝑚 𝑀 = 5.25 𝑁𝑚
Posteriormente se calculó la potencia útil o potencia necesaria en el arranque, utilizando la ecuación [5], sabiendo que el régimen de giro máximo al que trabaja el sistema es de 750 rpm.
𝑃 = 𝑀 ∙ 𝑛 9550
𝑃 =5.25 𝑁𝑚 ∙ 750 𝑟𝑝𝑚
9550 = 0.41 𝑘𝑊
En la práctica la potencia requerida para poner en funcionamiento del motor es algo mayor, ya que hay que considerar el rendimiento mecánico del mismo en la transformación de energía, así como un coeficiente de seguridad, por lo tanto, se utilizó la ecuación [6] para determinar la potencia nominal del motor eléctrico, asignando un factor de diseño de 1.3 por el tipo de máquina y con un rendimiento esperado igual a 1.
𝑃 = 𝑃4∙ 𝐴 ∙ 𝜂
𝑃 = 0.41 𝑘𝑊 ∙ 1.3 ∙ 1 𝑃 = 0.53 𝑘𝑊 = 0.71 𝐻𝑃
Este resultado representa la potencia nominal necesaria de un motor eléctrico para generar movimiento al motor térmico seleccionado.
3.2.2. CLASIFICACIÓN DEL MOTOR
Una vez calculado la potencia nominal del motor eléctrico se seleccionó el tipo de motor que se va a usar, tomando en cuenta varios factores se requiere un motor de corriente variable AC de tres fases, ya que así se puede variar su velocidad.
Se seleccionó este tipo de motor por su bajo costo, bajo mantenimiento y su facilidad de adquisición, además que se adapta a los requerimientos necesarios para implementar en el banco.
3.2.3. VOLTAJE Y FRECUENCIA
3.2.4. CONSIDERACIONES FÍSICAS Y DEL ENTORNO
Dentro de las consideraciones físicas que se deben tomar en cuenta está la forma constructiva y diseño del motor. Tomado como referencia esto, se precisa de un motor de tamaño relativamente pequeño que quepa perfectamente en el espacio destinado en la estructura del banco simulador y que no signifique una mayor carga para este.
3.2.5. SELECCIÓN
Tomando en cuenta todas estas consideraciones, se propuso tres opciones de motores eléctricos, en la tabla 4 se detallan sus especificaciones.
Tabla 4. Especificaciones de los motores eléctricos
CARACTERISTICAS OPCION 1 OPCION 2 OPCION 3
Marca WEG LAFERT SIEMENS
Potencia 1 HP (0.75kW) 1/2 HP (0.37kW) 3/4 HP (0.56kW)
Frecuencia 60 Hz 60 Hz 60 Hz
Voltaje de alimentación 220 / 240 V 220 / 240 V 220 / 240 V
Velocidad de giro 3600 RPM 1740 RPM 1800 RPM
Se realizó la elección del motor eléctrico tomando en cuenta el costo, la disponibilidad, la potencia necesaria y el peso. Para lo cual se realizó una tabla comparativa (tabla 5) ponderando todas estas características con valores del 1 al 5, donde 1 es el puntaje más bajo y 5 el más alto.
Tabla 5. Tabla comparativa de motores eléctricos
MOTOR Po te n c ia r e q u e ri d a Co s to Di s p o n ib il id a d Pe s o TO TA L
OPCION 1 5 1 4 2 12
OPCION 2 3 3 5 4 15
OPCION 3 5 5 4 3 17
Figura 9. Motor eléctrico seleccionado
3.3. VARIADOR DE FRECUENCIA
Con el fin de controlar la velocidad rotacional del motor eléctrico se implementó un variador de frecuencia para controlar el motor seleccionado. Se optó por un dispositivo variador de frecuencia de corriente trifásica con un voltaje de funcionamiento de 220 V y una frecuencia de 60 Hz, tiene una potencia de salida de hasta 1 HP (0.75kW) que se observa en la figura 10. En el anexo 3 se detallan datos específicos del dispositivo.
Figura 10. Variador de frecuencia seleccionado
3.4. PROCESOS EN EL MOTOR TÉRMICO
3.4.1. TRAZADO
Figura 11. Motor desarmado
Utilizando técnicas descritas en la revisión bibliográfica se realizó el trazado en el bloque, culata y tapa válvulas del motor.
Primero se realizó trazos en el bloque del motor, de manera que permita visualizar el movimiento de los pistones, para lo cual se optó por un trazado de medio corte, como se observa en la figura 12.
Figura 12. Trazado bloque del motor a: vista frontal, b: vista lateral (Nissan, 2003)
En la cabeza del motor se realizó un trazado para un corte por planos sucesivos que dejarán al descubierto las válvulas de admisión y escape y una bujía, como se observa en la figura 13.
En la tapa de válvulas se realizó dos trazados, uno en la parte frontal del motor, para poder observar los engranajes del árbol de levas y otro en la parte lateral acorde con los ya realizados en el bloque y cabeza (figura 14).
Figura 14. Trazado tapa de válvulas (Nissan, 2003)
3.4.2. SECCIONADO DEL MOTOR
Se aplicaron varios cortes en secciones estratégicas del motor de tal manera de que se observen las partes principales y los movimientos que se producen en el interior.
Para el proceso de corte se utilizó la ecuación [4] para determinar el número de revoluciones con el que debe girar la herramienta de corte en función de la velocidad de avance dada por la tabla 6.
𝑛 =1000 ∙ 𝑉𝑐 𝜋 ∙ 𝑑
Tabla 6. Velocidad de corte y de avance según el tipo de material
Material
Velocidad de corte (m/min) Velocidad de avanve (mm/min)
Desbaste Acabado
Aluminio 60 – 80 80 – 100 100
Acero dulce 16 – 20 35 – 40 60
Acero semiduro 12 – 16 25 – 30 30
Acero duro 10 – 15 18 – 22 25
Fundicion gris 12 – 15 18 – 20 45 (Vidondo & Alvarez, 1998)
3.4.2.1. Bloque
𝑛 =1000 ∙ 15 𝑚/𝑚𝑖𝑛
𝜋 ∙ 25 𝑚𝑚 = 190.98 𝑟𝑝𝑚
Figura 15. Proceso de fresado en el bloque del motor
La velocidad de corte asignada para el proceso de acabado fue de 20 m/min, para lo cual se empleó un cabezal porta cuchillas de 3’’ de diámetro
𝑛 =1000 ∙ 20 𝑚/𝑚𝑖𝑛
𝜋 ∙ 76.2 𝑚𝑚 = 83.54 𝑟𝑝𝑚
Siguiendo el trazado, se realizó el corte en el block de manera que se observen los cilindros 3 y 4 también cortados parcialmente y sus respectivos pistones y bielas como se aprecia en la figura 16.
Figura 16. Corte en el bloque del motor
3.4.2.2. Cabezote
El material del cabezote es aluminio, por lo cual se seleccionó una velocidad de corte de 60 m/min para el proceso de desbaste y se usó una fresa periférica de 25 mm de diámetro como se observa en la figura 17.
𝑛 =1000 ∙ 60𝑚/𝑚𝑖𝑛
Para el acabado se empleó un cabezal porta cuchillas de diámetro de 2’’ con una velocidad de corte de 100 m/min.
𝑛 =1000 ∙ 100𝑚/𝑚𝑖𝑛
𝜋 ∙ 50.8 𝑚𝑚 = 626.59 𝑟𝑝𝑚
Figura 17. Proceso de fresado en la cabeza del motor
En el cabezote se realizó un corte en la cara lateral y otro en la parte frontal, de esta manera se observa el movimiento de la apertura y cierre de válvulas, como lo muestra la figura 18.
Figura 18. Corte en la cabeza del motor
3.4.2.3. Tapa de válvulas
Finalmente, para la tapa de válvulas se realizó un corte previo con amoladora, y posteriormente un mecanizado por fresadora, para lo cual se seleccionó una velocidad de corte de 80 m/min usando una fresa de diámetro de 14 mm.
𝑛 =1000 ∙ 60𝑚/𝑚𝑖𝑛
En la tapa de válvulas se realizaron los cortes previamente trazados, que permitan visualizar los ejes de levas como se observa en la figura 19.
Figura 19. Corte en la tapa de válvulas
En la tabla 7 se detalla los tiempos de mecanizado de los elementos fresados determinado por la longitud del mecanizado dividida para la velocidad de avance de la mesa.
Tabla 7. Tiempos de mecanizado
Elemento
Tiempo de mecanizado (min)
Desbaste Acabado Total
Bloque 257 22 279
Cabezote 190 15 205
Tapa válvulas 15 - 15
El tiempo total de mecanizado fue de 499 min, es decir 8 horas y 18 minutos.
3.4.3. ACABADO SUPERFICIAL
El acabado superficial consiste en el proceso de pintado de los elementos, con el objetivo de proteger al material de factores externos y mejorar la estética del mismo.
3.4.3.1. Preparación de la superficie
El primer paso del proceso de pintura es la preparación de superficies, que consiste en la eliminación de cualquier contaminante que pudiera encontrase en la superficie a pintar.
geometría y espesor del material sobre el cual queremos preparar la superficie, se aplicó las técnicas de limpieza liquida a alta presión y posteriormente un lijado de la superficie.
3.4.3.2. Fondeado
Con el objetivo de dar una mejor adherencia de la pintura y crear una capa anticorrosiva en las piezas del motor, se aplicó tres capas de imprimación como se observa en la figura 20.
Figura 20. Fondeado
3.4.3.3. Selección de colores
En la selección de colores se tomó en consideración la visibilidad de la pieza, el color original de los elementos, así como la correcta combinación de colores, de manera que se diferencien los elementos unos de otros. En la tabla 8 se muestra la selección de colores.
Tabla 8. Selección de colores
Parte Color
3.4.3.4. Pintado
Una vez seleccionados los colores el siguiente paso fue la aplicación de la pintura. La pintura seleccionada es de tipo esmalte sintético de base solvente. La técnica seleccionada para la aplicación de la pintura fue mediante pistola de pulverización, obteniendo así un mejor acabado superficial, como se observa en la figura 21.
Figura 21. Aplicación de pintura mediante pistola de pulverización
En función de la técnica de aplicación seleccionada se añadió a la mezcla un 25% de diluyente el cual permitió ajustar la viscosidad de la mezcla. La técnica seleccionada para la aplicación de la pintura fue mediante pistola de pulverización, obteniendo así un mejor acabado superficial.
Fue necesario cubrir con cinta de carrocero las partes de los elementos móviles que están sometidas a rozamiento. En la figura 22 se observan los resultados.
Figura 22. Pintado de los elementos
3.4.4. ENSAMBLAJE DEL MOTOR
Figura 23. Motor ensamblado
3.5. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA
3.5.1. CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Para iniciar con el diseño estructural del bastidor se midió la masa de los diferentes elementos que constituyen el banco simulador y se calculó el peso en Newton, como se observa en la tabla 9.
Tabla 9. Masa y peso de los elementos
PARTE MASA (Kg) PESO (N)
Block 32,94 322,81
Culata 7.94 77,81
Partes internas del motor 11.33 111.03
Tapa válvulas 1.28 12.54
Carter 3.62 35.48
Motor eléctrico 16,15 158,27
Sistema de transmisión 1,35 13.23
Variador de frecuencia 0.61 5.98
Instrumentación 0.74 7.25
Total 75.96 744.4
Tabla 10. Propiedades de tubo cuadrado de acero ASTM - A500
Acero ASTM – A500
a (mm) 40
e (mm) 2.0
Módulo de elasticidad (E) 210000 MPa
Módulo de fluencia del material (Sy) 345 MPa
Momento de inercia 6.94 cm4
Radio de giro (cm) 1.54 cm
Área 3.59 cm2
(Colmena, 2015)
Se sugirió un diseño preliminar que se aprecia en la figura 23 que sirva como punto de partida para el cálculo de columnas y vigas, y determinar su factibilidad de construcción.
El diseño está conformado por dos partes, la primera es la que soporta el motor térmico, el motor eléctrico y el sistema de transmisión, y la segunda parte albergará el panel de instrumentación y cableado.
Figura 24. Diseño preliminar de la estructura
3.5.2. CÁLCULOS DE DISEÑO
[16] para establecer el tipo de columna al que pertenece nuestro proyecto. Para lo cual se tomó el valor de K según la figura 25, perteneciente a una columna empotrada – empotrada igual a 0.65.
Figura 25. Valores K para columnas aisladas (Mott, 2006)
Se calculó la relación de esbeltez de la columna de 80 cm de longitud:
λ =𝐿𝐾 𝑟
λ =80 𝑐𝑚 ∙ 0.65
1.54 𝑐𝑚 = 33.77
Y la constante de la columna:
𝐶\ = 2𝜋C∙ 𝐸 𝑆𝑦
𝐶\ = 2𝜋C∙ 2.1×1033𝑃𝑎
3.45×10• 𝑃𝑎 = 109.61
Tomando en consideración estos valores se comparan para definir a la columna como:
λ > Cc; Columna larga
Como la relación de esbeltez real es menor a la constante de columna se concluyó que el tipo de columna es corta. Por lo que se emplea la ecuación
[17] para determinar la carga crítica.
𝑃6b = 𝐴 ∙ 𝑆𝑦 ∙ 1 − 𝑠𝑦 ∙ 𝜆C 4𝜋C∙ 𝐸
𝑃6b = 0,000294 𝑚C∙ 3.45×10• 𝑃𝑎 ∙ 1 −3.45×10• 𝑃𝑎 ∙ 34.43 C
4𝜋C∙ 2,1×1033𝑃𝑎
𝑃6b = 96 616.42 N
Se utilizó la ecuación [18] para determinar la carga admisible, considerando un factor de diseño N igual a 1.5 considerando que se trata de un diseño bajo cargas estáticas, en un material dúctil.
𝑃k =
𝑃6b 𝑁
𝑃k = 96 616.42 1.5
𝑃k = 64 410.94 𝑁 ≈ 64.4 𝑘𝑁
La carga real aplicada debe ser menor que la carga admisible de la columna, para lo cual se calcula el peso real para determinar la factibilidad.
El peso total de los elementos constitutivos del banco es de 880 N, los cuales se apoyarán sobre 4 apoyos del soporte.
𝑃k†‡e‡ = 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ÷ 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑝𝑜𝑦𝑜𝑠 𝑃k†‡e‡ = 744.4 ÷ 4 = 186.1N
Como factor de seguridad se asignó un valor de 2.5 con el fin de garantizar el diseño al aplicar una carga mayor.
Carga aplicada = 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑎𝑝𝑜𝑦𝑜 𝑥 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 Carga aplicada = 186.1 N ∙ 2.5 = 465.26 N
dos puntos de apoyo equidistantes del centro de la viga que soporta una carga de 279.89 N como se observa en la figura 26.
Figura 26. Fuerzas cortantes y momento flector máximo viga AB
El travesaño CD tiene una longitud de 52 cm, y soporta una carga de 279.9 N distribuida uniformemente en dos puntos de apoyo, como se muestra en la figura 27.
Figura 27. Fuerzas cortantes y momento flector máximo viga CD
ecuación [19], para lo cual es necesario conocer el momento de inercia del perfil, detallado en el anexo 4. Al ser el perfil un tubo cuadrado de 40 mm de lado el eje neutro o centroide es simétrico como se muestra en la figura 28, es decir que se encuentra a 20 mm del punto donde se determina el esfuerzo, y su momento de inercia es de 6.94 cm4.
Figura 28. Centroide de tubo cuadrado
De igual manera, debido a la geometría del perfil, el esfuerzo de compresión es igual al esfuerzo de flexión.
σ =𝑀 ∙ 𝑐 𝐼
Para la viga AB:
σ =18.89 𝑁𝑚 ∙ 0.2 𝑚 6.94 ×10[•𝑚*
σ = 54 438 040.35 Pa = 54.43 MPa
Para la viga CD:
σ =22.39 𝑁𝑚 ∙ 0.2 𝑚 6.94 ×10[•𝑚*
σ = 64 524 495.68 Pa = 64.52 MPa
Comparando el esfuerzo máximo de las vigas con el módulo de fluencia y de elasticidad del material (tabla 10) Sy/σ, se verifica que el perfil no sufrirá deformaciones por las cargas sometidas, ya que el factor de seguridad obtenido para la viga AB es 6.33 y para la viga CD es 5,34.
3.5.3. SELECCIÓN DE MATERIAL
la selección del material se tomó en consideración, parámetros de esteticidad y costos.
Por lo tanto, el material seleccionado es un acero estructural ASTM – A500 tubular cuadrado de 40 mm de lado y con un espesor de 2 mm. Para segunda parte de la estructura, que alojara la instrumentación del banco simulador, se seleccionó un acero estructural ASTM – A500 tubular cuadrado de 25 mm de lado y 1.5 mm de espesor.
En el anexo 4 se muestra características técnicas del material seleccionado.
3.5.4. ANÁLISIS Y SIMULACIÓN
Para la simulación, se realizó una esquematización de la estructura por medio de un software, que permitiera analizar y corroborar los resultados obtenidos anteriormente, teniendo como resultado una verificación de los datos, en la figura 29 se muestra la simulación de la estructura a las cargas sometidas.
Figura 29. Simulación de la estructura
La barra de colores representa el desplazamiento en relación esfuerzo al que están sometidas las vigas y columnas, las vigas soportan un mayor esfuerzo, sin embargo, no vence el módulo de fluencia del material ASTM A500.
3.5.5. CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA
Por el tipo de material se seleccionó un proceso de soldadura por arco eléctrico manual con electrodo revestido (SMAW), para lo cual se empleó dos tipos de electrodos, 6011 para unión y 6013 para recubrimiento, a un amperaje de 100A. En la figura 30 se observa el proceso de soldadura.
Figura 30. Proceso de soldadura
En la figura 31 se observa el resultado final de la estructura construida.
Figura 31. Estructura armada
Para movilizar el banco simulador se instaló cuatro ruedas con bloqueo de 30 Kg de soporte, sabiendo que el peso total de la máquina es de 110 Kg distribuido en 4 puntos de apoyos.
𝑃b—˜7k = 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ÷ 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑝𝑜𝑦𝑜𝑠 𝑃b—˜7k = 110 𝐾𝑔 ÷ 4 = 27 𝐾𝑔
3.6. MONTAJE DEL SISTEMA DEL BANCO SIMULADOR
3.6.1. INSTALACIÓN DE ELEMENTOS
Tras la elección del motor térmico y eléctrico, el variador de giro y la construcción de la estructura, se dio paso a la instalación de todos los elementos en el banco simulador.
El primer paso fue ubicar el motor térmico seccionado en la parte superior de la estructura, con la ayuda de unos soportes diseñados específicamente para su anclaje, como se puede observar en la figura 32.
Figura 32. Montaje del motor térmico
Como siguiente paso se instaló el motor eléctrico en la parte inferior, que se observa en la figura 33, para lo cual fue necesario hacer mediciones de tal manera que quede centrado al eje del motor de combustión interna.
3.6.2. IMPLEMENTACIÓN DE TRANSMISIÓN
El sistema de transmisión seleccionado es una transmisión por poleas y bandas, para lo cual se tomó en consideración las ventajas que presenta este sistema frente a otros y los requerimientos del proyecto.
Se seleccionó un sistema de poleas y bandas porque posee un funcionamiento más silencioso, precisa de menor mantenimiento al no usar lubricación, bajos costos, facilidad de acople y desacople.
Para la elección del tipo de perfil se calculó la potencia efectiva utilizando un factor de servicio igual a 1.1 por el tipo de trabajo que realiza dado por el anexo 1, empleando la ecuación [14].
𝑃𝑒 = 𝑃 ∙ 𝐹𝑠
𝑃𝑒 = 0.56 𝑘𝑊 ∙ 1.1 𝑃𝑒 = 0.61 𝑘𝑊
En función al valor de la potencia efectiva se realizó la elección del perfil de la correa mediante la figura 34, ubicando el punto de intersección entre esta y la velocidad máxima a la que opera el banco simulador.
Figura 34. Tipo de perfil de correas trapezoidales (Rexon, 2016)
El tipo de polea y banda empleados para el sistema de transmisión es trapezoidal con perfil tipo A.
𝑖 =𝑛1 𝑛2 𝑖 =1800
750 = 2.4
El diámetro de la polea conductora seleccionado fue de 2.5” (63.5 mm) que se muestra en la figura 35.
Figura 35. Plano de polea conductora
Para calcular el diámetro de la polea conducida se aplica la ecuación [8].
𝑖 =𝑑2 𝑑1 𝑑2 = 𝑖 ∙ 𝑑1
𝑑2 = 2.4 ∙ 2.5" = 6"
El diámetro de la polea conducida calculada fue de 6” (152.4 mm) que se muestra en la figura 36.
Figura 36. Plano de polea conducida
Para calcular las distancias mínima y máxima entre centros de los ejes empleamos las ecuaciones [8] y [10].
𝐶𝑚𝑖𝑛 = 0.7(𝐷1 + 𝐷2)
𝐶𝑚𝑖𝑛 = 0.7 6.35 + 15.24 𝑐𝑚 𝐶𝑚𝑖𝑛 = 15.11 𝑐𝑚
𝐶𝑚𝑎𝑥 = 3.5(6.35 + 15.24 𝑐𝑚) 𝐶𝑚𝑎𝑥 = 75.56 𝑐𝑚
Conociendo la distancia entre centros mínima y máxima podemos ubicar el motor eléctrico de manera que esté dentro de las medidas permitidas.
Para calcular la longitud de la correa se necesita conocer el ángulo de contacto de la correa con las poleas, para lo cual utilizamos las ecuaciones
[12] y [13] sabiendo que la distancia entre ejes es 75 cm.
𝛼1 = 𝜋 𝑟𝑎𝑑 − 2 ∙ sin[3𝐷2 − 𝐷1
2𝐶
𝛼1 = 𝜋 𝑟𝑎𝑑 − 2 ∙ sin[315.24 − 6.35
2(75) 𝛼1 = 1.042 𝜋𝑟𝑎𝑑 = 172.4°
𝛼2 = 𝜋 𝑟𝑎𝑑 + 2 ∙ sin[3𝐷2 − 𝐷1
2𝐶
𝛼2 = 𝜋 𝑟𝑎𝑑 + 2 ∙ sin[315.24 − 6.35
2(75) 𝛼2 = 0.958 𝜋𝑟𝑎𝑑 = 187.6°
Con la ecuación [11] se calcula la longitud de la correa.
𝐿 = 4𝐶C − (𝐷2 − 𝐷1)C+1
2(𝐷2 ∙ 𝛼2 + 𝐷1 ∙ 𝛼1) 𝐿 = 4 75 C− 15.24 − 6.35 C+1
2 15.24 ∙ 1.042 + 6.35 ∙ 0.958 = 160.7 𝑐𝑚
En la figura 37 se observa el sistema de transmisión implementado en el banco, con una polea conductora de 2.5”, una conducida de 6”, una correa tipo A de 160.72 cm de longitud y una distancia entre centros de 75 cm.
3.6.3. INSTRUMENTACIÓN
El banco simulador está provisto de un panel de control que permite realizar diferentes acciones, cuenta con botones de encendido y apagado de la máquina, control de régimen de giro, un botón de emergencia, un tacómetro digital y luces indicadoras. En la figura 38 se observa la posición de todos los elementos de la instrumentación.
Figura 38. Panel de control del banco simulador
3.6.4. CONECCIONES ELÉCTRICAS
Una vez montados todos los elementos del banco simulador se realizó las conexiones eléctricas, entre el motor eléctrico, el variador de giro y la botonera del panel de instrumentación utilizando un contactor que permita el enclavamiento del pulsador de encendido. En la figura 39 se aprecia el diagrama eléctrico del sistema y en el anexo 6 el plano del mismo.
Para las conexiones eléctricas se empleó un cable flexible calibre AWG 14 determinado por el anexo 9.
Figura 39. Diagrama eléctrico del banco simulador
