UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
“DISEÑO Y ADAPTACIÓN DE UN MOTOR NEUMÁTICO PARA
SUSTITUIR AL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA EN UNA
MOTOCICLETA”
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
CARLOS GUSTAVO MORA PÉREZ
DIRECTOR: ING. SIMON HIDALGO
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2016
DECLARACIÓN
Yo CARLOS GUSTAVO MORA PEREZ, 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.
_________________________
Carlos Gustavo Mora Pérez
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “DISEÑO Y ADAPTACIÓN
DE UN MOTOR NEUMÁTICO PARA SUSTITUIR AL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA EN UNA MOTOCICLETA”, que, para aspirar al
título de Ingeniero Automotriz fue desarrollado por CARLOS GUSTAVO
MORA PEREZ, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.
___________________ Ing.Simón Hidalgo
DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
AGRADECIMIENTO
Quiero agradecer a mi madre, a mi esposa y a mis hijos que fueron el motor principal y que con su apoyo incondicional me ayudaron a conseguir esta meta.
I
ÍNDICE DE CONTENIDOS
Página
1 INTRODUCCION ... 1
2 MARCO TEÓRICO ... 3
2.1 RESEÑA HISTÓRICA DE LA AUTOMOCIÓN NEUMÁTICA ... 3
2.2 MOTOCICLETAS ... 6
2.2.1 DEFINICIÓN ... 6
2.2.2 PARTES ... 7
2.2.3 CLASIFICACIÓN ... 8
2.3 AIRE COMPRIMIDO ... 10
2.3.1 DEFINICIÓN ... 11
2.3.2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO ... 12
2.3.3 ELEMENTOS DE UN SISTEMA NEUMÁTICO ... 12
2.3.4 TRATAMIENTO DE AIRE COMPRIMIDO ... 15
2.3.5 LEYES FÍSICAS DE LA NEUMÁTICA ... 17
2.4 MOTORES NEUMÁTICOS ... 20
2.4.1 CLASIFICACIÓN DE MOTORES NEUMÁTICOS ... 20
2.4.2 CARACTERÍSTICAS DE UN MOTOR NEUMÁTICO ... 23
2.4.3 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR ... 23
2.4.4 PRESIÓN DE TRABAJO ... 24
2.4.5 PARÁMETROS DEL MOTOR NEUMÁTICO ... 24
II
2.5.1 DEFINICIÓN ... 27
2.5.2 PROGRAMAS DE DISEÑO DE MÁQUINAS ... 28
2.5.3 RENDERIZADO ... 30
2.5.4 PRUEBAS ESTÁTICAS VIRTUALES ... 31
3 METODOLOGÍA ... 34
3.1 MÉTODOS ... 34
3.1.1 MÉTODOS TEÓRICOS ... 35
3.1.2 MÉTODOS EMPÍRICOS ... 35
3.2 TÉCNICAS ... 36
3.2.1 OBSERVACIÓN ... 36
3.2.2 LA OBSERVACIÓN PARTICIPANTE ... 36
3.2.3 LA OBSERVACIÓN DE CAMPO... 37
3.3 PROCEDIMIENTO A REALIZAR ... 37
4 ANALISÌS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 38
4.1 MOTOCICLETA ... 39
4.1.1 SELECCIÓN DE LA MOTOCICLETA ... 39
4.1.2 ESTUDIO DE LA ESTRUCTURA DE LA MOTOCICLETA ... 41
4.2 SELECCIÓN DEL MOTOR ... 50
4.2.1 CÁLCULO DEL MOTOR ... 50
4.3 CÁLCULO DEL DEPÓSITO DE AIRE COMPRIMIDO... 51
III
4.4 SISTEMA NEUMÁTICO ... 55
4.4.1 Válvula reguladora de presión con manómetro ... 56
4.4.2 Válvula reguladora de caudal ... 56
4.4.3 Unidad de mantenimiento con lubricador ... 57
4.4.4 Manguera ... 57
4.4.5 Circuito final ... 58
4.4.6 PRESIÓN CIRCUITO NEUMÁTICO ... 59
4.5 DESARROLLO PRÁCTICO ... 60
4.5.1 DESMONTAJE DE LA MOTOCICLETA ... 60
4.6 MATERIALES ... 66
4.7 HERRAMIENTAS ... 67
4.7.1 IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA NEUMÁTICO ... 67
4.8 PRUEBAS ... 72
4.8.1 VELOCIDAD FINAL ... 73
4.8.2 AUTONOMÍA ... 75
4.8.3 POTENCIA ... 76
4.9 ANÁLISIS DE VENTAJAS DEL SISTEMA ... 79
4.10 ANÁLISIS DE DESVENTAJAS DEL SISTEMA ... 80
5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 81
5.1 CONCLUSIONES ... 81
5.2 RECOMENDACIONES ... 82
IV
BIBLIOGRAFÍA ... 84
V
ÍNDICE DE TABLAS
Página
Tabla 1. Ventajas Y Desventajas Por Marcas ……… 40
Tabla 2. Propiedades del acero DIN 17175 ……… 46
Tabla 3. Tensiones Máximas ……… 47
Tabla 4. Fuerza de reacción y momento de reacción ……… 49
Tabla 5. Detalle de Materiales ……… 67
Tabla 6. Resultados prueba 2 ……… 76
VI
ÍNDICE DE FIGURAS
Página
Figura 1. Primer Auto Propulsado Por Aire ……… 4
Figura 2. Tren Hibrido Diesel Aire Comprimido ……… 4
Figura 3. Motor Di Pietro De Paletas ……… 5
Figura 4. Vehículo de GuyNegre ……… 6
Figura 5. Partes de la motocicleta ……… 7
Figura 6. Motocicleta Street ……… 9
Figura 7. Motocicleta Sport ……… 10
Figura 8. Válvula neumática ……… 13
Figura 9. Motor Neumático ……… 13
Figura 10. Tanque de almacenamiento ……… 13
Figura 11. Tanque de almacenamiento ……… 14
Figura 12. Compresor industrial ……… 14
Figura 13. Símbolo de compresor ……… 15
Figura 14. Filtro con drenaje manual ……… 15
Figura 15. Separador de neblina ……… 15
Figura 16. Válvula controladora de presión ……… 16
Figura 17. Manómetro ……… 16
Figura 18. Unidad de Mantenimiento ……… 16
Figura 19. Unidad de mantenimiento simplificada ……… 16
Figura 20. Motor De Paletas ……… 20
Figura 21. Motor De Paletas Reversible ……… 21
Figura 22. Motor Paletas De Atlas Copco ……… 22
Figura 23. Motor De Aire Comprimido De Pistón ……… 23
Figura 24. Funcionamiento Del Motor De Paletas ……… 24
Figura 25. Potencia En Motor De Aire ……… 25
Figura 26. Motor con regulador de velocidad ……… 26
VII
Figura 28. Diseño realizado en Solid Works ……… 29
Figura 29. Diseño estructural de un cigüeñal ……… 29
Figura 30. Casa modelada en Maya ……… 30
Figura 31. Render, antes y después ……… 31
Figura 32. Estudio estático ……… 32
Figura 33. Sección del tubo. ……… 43
Figura 34. Diseño 3d ……… 46
Figura 35. Selección de superficies ……… 47
Figura 36. Punto de mayor resistencia ……… 48
Figura 37. Punto de mayor compresión ……… 48
Figura 38. Válvula Reguladora De Presión Con Manómetro ………..56
Figura 39. Válvula Reguladora De Caudal ………. 57
Figura 40. Esquema neumático ………. 58
Figura 41. Costado derecho motocicleta de combustión interna ………..61
Figura 42. Desmontaje lado derecho motocicleta ………. 61
Figura 43. Desmontaje superior motocicleta ………. 62
Figura 44. Desmontaje de motor y sistema eléctrico ………. 62
Figura 45. Desmontaje de motor y sistema eléctrico ………. 63
Figura 46. Chasis que se utilizó para el proyecto ………. 63
Figura 47. Suspensión delantera y freno de manigueta delantera ……… 64
Figura 48. Motor de combustión interna de la motocicleta ………. 64
Figura 49. Base del motor. ……… 66
Figura 50. Válvula reguladora de caudal ………. 68
Figura 51. Cabeza cable acelerador acciona válvula ………. 68
Figura 52. Vehículo ensamblado en su totalidad ………. 69
Figura 53. Motor de aire comprimido de paletas y cadena ………. 69
Figura 54. Manómetro y regulador de presión de salida ………. 70
Figura 55. Tanque o bombona, motor de aire comprimido ………. 70
Figura 56. Lubricador de aire y motor de aire comprimido ………. 71
Figura 57. Chasis y sistema de aire comprimido ……… 71
Figura 58. Ensamblaje final ……… 72
VIII
IX
ÍNDICE DE ANEXOS
Página
Anexo 1. Motor seleccionado ……… 88
Anexo 2. Circuito Neumático ……… 91
Anexo 3. Norma Inen ……… 92
Anexo 4. Catalogo Mangueras ……… 100
X
RESUMEN
El aire es un elemento que se encuentra libre en planeta tierra, el mismo posee cualidades especiales, las mismas que permiten realizar movimiento en mecanismos especiales, tales como pistolas de impacto, taladros, pulidoras, etc. El modelo de los motores que generan dicho movimiento, es el mismo, y pese a que el aire es un elemento que se encuentra totalmente gratis, no se ha desarrollado tecnologías que permitan máquinas de propulsión ecológicas.
Con esta antesala se ha hecho el presente trabajo, con la finalidad de obtener un documento que contenga toda la información necesaria de la implementación y ejecución de un motor neumático en una motocicleta, para esto en el primer capítulo se presentaron los antecedentes del trabajo.
En el segundo capítulo se recopilo todo tipo de información referente al diseño, al análisis y a la ejecución de sistemas neumáticos, sus elementos y como puede por medio de cálculos realizarse prototipos.
Con toda esta información resumida, misma que provino de fuentes bibliográficas de notable validez científica, se ha realizado un análisis y se ha desarrollado en el tercer capítulo una selección de metodología.
Esta metodología ha sido aplicada a lo largo del cuarto capítulo, la misma que permite determinar una hoja de ruta para poder construir de una manera fácil de probar cuan fácil es hacer una máquina de estas características.
En el cuarto capítulo se ha hecho un resumen de todo el trabajo teórico-práctico, de esta manera se permite analizar el procedimiento a realizar en el futuro.
XI
ABSTRACT
Air is an element that is free on planet earth, it has special qualities, the same that allow movement in special, such as impact wrenches, drills, sanders mechanisms, etc. The model engines that generate this movement is the same, and although the air is an element that is completely free, has not developed technologies that allow ecological propulsion machines.
With this prelude has done this work, in order to obtain a document containing all the necessary information for the implementation and execution of an air motor on a motorcycle, for this in the first chapter the background of the work was presented.
In the second chapter all kinds of information concerning the design, analysis and implementation of pneumatic systems, its elements and as compiled by calculations can be performed prototypes.
With all this summary, same information that came from bibliographical sources of remarkable scientific validity, it has analyzed and developed in the third chapter a selection of methodology.
This methodology has been applied throughout the fourth chapter, the same as to determine a roadmap to build an easy way to test how easy it is to make a machine like this.
In the fourth chapter has made a summary of all the theoretical and practical work in this way it is to analyze the procedure to be performed in the future.
1
1 INTRODUCCION
En la actualidad, en todas partes del mundo se están viviendo los efectos del impacto ambiental causados por el avance tecnológico que originan diferentes fuentes contaminantes que afectan la salud, el rendimiento laboral y académico de las personas.
Estas fuentes contaminantes causan uno de los problemas más graves que tiene el mundo en estos momentos, que es el calentamiento del planeta, provocado principalmente por la emanación de CO2 de los vehículos convencionales que funcionan con motores de combustión interna, los automotores también emiten gases contaminantes, los mismos que son monóxido de carbono, óxido de nitrógeno, hidrocarburos no consumidos, de igual manera estos gases generan contaminación que pone en peligro el planeta tierra.
El estudio se realiza adaptando un sistema neumático al conjunto en la rueda de una motocicleta para el impulso.
Los resultados de este proyecto se mostrarán a través de gráficos, que se expondrán, donde mostrarán la presión necesaria que necesitara tener el aire para poder mover la motocicleta.
El objetivo principal de la presente tesis es el diseño y adaptación de un motor neumático para sustituir al motor de combustión interna en una motocicleta.
De igual manera se detallan a continuación los objetivos secundarios:
1. Realizar un estudio para determinar la viabilidad en la adaptación o diseño de una motocicleta con un sistema neumático.
2. Calcular presión, potencia y torque para determinar el motor a utilizar.
3. Adaptar un motor neumático a una motocicleta.
2 Se realizará una investigación profunda de la situación de los vehículos neumáticos en el planeta, complementándola con los elementos que interactúan en el mismo.
Una vez planteadas las características escogidas para la motocicleta se escogerán los elementos se empezará por seleccionar un motor.
Primero se realizará el diseño de la motocicleta en cuanto a la forma, combinando la estética con la funcionalidad y consiguiendo la integración de todo el sistema neumático en el mismo, ofreciendo un resultado válido y compatible con las formas actuales de dichos vehículos.
Se escogerá el depósito de aire y se analizaran los costos de envasado del mismo.
3
2 MARCO TEÓRICO
El desarrollo de máquinas autopropulsadas es un tema súper importante para el desarrollo de nuevas tecnologías, en la actualidad las principales empresas automovilísticas se han puesto en la lucha para desarrollar vehículos que no contaminen.
En el presente capítulo se determinará toda la información relativa al tema propuesto, misma que debe llenar todas las incógnitas a los lectores, la información es un resumen de una gran variedad de libros, es por esto que se invita a los lectores a explorar más a fondo la bibliografía citada.
Los temas a estudiar en el presente capítulo son el estudio del aire comprimido, el motor de aire comprimido, las motocicletas y el diseño computarizado.
Con todo lo antes mencionado se espera llenar todas las dudas sobre un tema tan amplio y a la vez tan sencillo, es fundamental realizar una investigación más profunda por parte de los lectores.
2.1 RESEÑA HISTÓRICA DE LA AUTOMOCIÓN NEUMÁTICA
El motor neumático fue uno de los primeros en desarrollarse, esto ya se vio a
finales del siglo XIX la idea de un vehículo propulsado por aire era ya posible
de apreciar en algunos prototipos. (Royal Society London, 1687).(Paula Pérez, 2013)
4 Más tarde en 1896 un estadounidense se encargaría de construir un motor de aire comprimido, el mismo que era accionado por pistones. Charles B. Hodges fue la primera persona que inventó un coche con estas especificaciones. (Paula Pérez, 2013).
Figura 1. Primer auto propulsado por aire (620AM, 2012)
En 1925 se consiguió convertir un motor de gasolina en un sistema de aire
comprimido básicamente, removiendo el sistema de alimentación de combustible y colocando un árbol de levas distinto el mismo que permita la realización del movimiento. (Paula Pérez, 2013)
En 1930 llegaría la primera Locomotora híbrida de Diésel y Aire Comprimido, con el crecimiento de la extracción del petróleo las investigaciones en este campo cada día eran menores.(Celades, 2012)
5 Johannes Wardenier creo un vehículo propulsado por aire, el mismo modelo que fue robado y el autor fue encarcelado por desconocidas razones.(Celades, 2012)
En 1975 Sorgato, construyo un vehículo con una autonomía de 2 horas, a 50km/h.(Celades, 2012)
En 1979, Terry Miller desarrolló el Air Car One que costo construir $1500 y lo patentó. (US4370857).(Paula Pérez, 2013)
en la actualidad el inventor de nacionalidad uruguaya, Armando Regusci, ha propuesto la creación de este tipo de vehículos, para mejorar la movilidad de una manera ecológica. (Pietro, 2010)
El mayor limitante de esta tecnología es el almacenamiento del aire comprimido, este ha sido el más grande limitante y se ha estado buscando por años los componentes resistentes y livianos que permitan, transportar grandes cantidades de aire comprimido.
Ángelo Di Pietro ha eliminado virtualmente el desgaste y el rozamiento interno ofreciendo un rendimiento superior en una gran variedad de aplicaciones. Tal y como se aprecia en la figura 3.
Figura 3. Motor di Pietro de paletas (Pietro, 2010)
6
Figura 4. Vehículo de GuyNegre (Negre, 2008)
2.2 MOTOCICLETAS
Desde la creación del motor a combustión interna, las motocicletas han ganado espacios que ni los vehículos a cuatro ruedas más pequeños pueden llenar. Potencia y versatilidad, una motocicleta es símbolo de libertad.
En el presente capítulo se expone un poco sobre lo que constituye uno de los vehículos mejor diseñados, la motocicleta.
2.2.1 DEFINICIÓN
7
2.2.2 PARTES
Las partes de la motocicleta, dependen mucho del modelo de la misma, en el presente capítulo se puede apreciar los sistemas más importantes de una motocicleta. Para poder de igual manera entender las partes de la misma, se aprecia en la figura 5, la lista de partes de una motocicleta tradicional. (Crouse, 1992)
Figura 5. Partes de la motocicleta. (Bradley, 2008)
Suspensiones de motocicletas
La suspensión es el conjunto de piezas y partes mecánicas que brindan la comodidad necesaria para poder manejar en cualquier tipo de superficie, la motocicleta usa por lo general suspensiones sencillas en la parte delantera como en la posterior.
8
Frenos de motocicleta
El sistema de frenos es uno de los elementos más importantes en la seguridad de la motocicleta, es el encargado de detener la misma sin importar las condiciones de manejo.
A lo largo de los años los sistemas han ido evolucionando, es por eso que hoy en día las principales marcas constructoras de motocicletas se han enfocado en brindar sistemas con tecnologías de vanguardia como sistemas de frenos ABS, los mismos que prometen mejorar la estabilidad en el frenado. El sistema de frenos ha pasado de ser un sistema de tambores a un sistema de discos. Con mejor desempeño en situaciones de calor extremo.
Transmisión
La transmisión de una motocicleta es dada principalmente por una cadena, misma que está conectada al motor y que es accionada por un piñón primario, el mismo que puede tener una relación de cadena de entre 3.5 a 4.8, esto depende por lo general del piñón secundario, mientras es mayor genera una menor relación de transmisión total. Es de determinar que existen distintos tipos de transmisión en motocicletas, no quedan alejadas las bandas que se encuentran en especial en motocicletas grandes.
2.2.3 CLASIFICACIÓN
9 nombre traducido al español suele dar ciertas pistas, es mejor estar seguros y saber el tipo de moto para el tipo de uso que se le va a dar. (Guitián, 2000)
Pensando en ello se hace un interesante recorrido por los diferentes tipos de motocicletas y sus características que bien harán descubrir ciertos atributos, que al momento de la compra difícilmente los harán saber. (Guitián, 2000)
A continuación, una pequeña clasificación de las motocicletas, es importante determinar que es necesario saber el propósito que va a tener la motocicleta en el proyecto a seguir.
Motos-de-calle-(Street)
Las motos de calle son aquellas diseñadas para ser conducidas en rutas pavimentadas, se caracterizan por presentar cubiertas lisas con dibujos suaves y motores generalmente en el orden de los 125cc hacia arriba. La mayoría de motocicletas bajo la denominación “Street” son capaces de alcanzar velocidades de hasta 160 km/h y muchas llegando a los 200 km/h (en las de mayor cilindrada) como muestra la figura 6. (Foale, 2003)
Figura 6. Motocicleta Street (Cocco, 2004)
Motos-sport
10 combustible en comparación con motos menos especializadas. Debido a esto, hay ciertos elementos de diseño característicos de estas motos como muestra la figura 7. (Foale, 2003)
Figura 7. Motocicleta Sport (Cocco, 2004)
La practicidad que ofrece una motocicleta para trasladarse a diario en la ciudad, su bajo costo de mantenimiento y eficiencia, hacen de esta alternativa de movilidad una opción de transporte muy atractiva. (Cocco, 2004)
2.3 AIRE COMPRIMIDO
El aire comprimido es un elemento activo, casi todas las fabricas tienen instalaciones de aire comprimido para accionar máquinas, herramientas o útiles que son factores de productividad.
Es importante determinar conceptos básicos para el correcto entendimiento de dichos sistemas, en especial cuando los mismos necesitan de varios conceptos previos que complementen el entendimiento.
11
2.3.1 DEFINICIÓN
El globo terrestre está rodeado de una envoltura llamada atmosfera, la misma es el conjunto de una mezcla de gases, algunos indispensables para la vida, otros utilizados en otras tareas.
Principalmente la atmosfera está compuesta principalmente por nitrógeno, oxígeno y otros gases en menor concentración. Esta mezcla de gases puede ser almacenada y la misma puede ser aplicada en máquinas que pueden realizar tareas. (Guillén Salvador, 1988)
En un principio se utilizaba presión de vapor de aire para realizar el movimiento de máquinas, con la evolución de los sistemas de compresión de aire, el aire común puede ser utilizado en tareas mecánicas. (Guillén Salvador, 1988)
En la practica la presión se mide en manómetros, los mismos que miden la
presión al interior ya sea de una línea de aire o en algún tanque: de almacenamiento. (Guillén Salvador, 1988)
Los principales problemas para el desarrollo los sistemas autopropulsados en base al aire comprimido son:
Los depósitos de aire comprimido.
La autonomía máxima
La dificultad de carga.
Las tareas más importantes del aire comprimido pueden ser las siguientes:
Pintura industrial
Frenos neumáticos
Prensas neumáticas
Pulverización
12 En el caso particular del presente trabajo de titulación se estudiarán los actuadores de giro.
2.3.2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
El aire comprimido es utilizado por su facilidad de generar y la velocidad con la que puede realizar una tarea, por otra parte, se puede determinar que el aire se encuentra en cualquier parte, es necesario realizar un embasamiento del mismo. (Cardona, 2015)
2.3.3 ELEMENTOS DE UN SISTEMA NEUMÁTICO
Un sistema neumático es un conjunto de partes, existen tres grandes grupos de elementos, los mismos que se explican a continuación.
Actuadores
Son los encargados de realizar las actividades, los mismos pueden ser válvulas o equipo neumático.
13
Figura 8. Válvula neumática. (Pizarro, 2015)
Un actuador a utilizar en el presente trabajo es un motor neumático, su símbolo se analiza en la figura 9.
Figura 9. Motor neumático. (Bueno, Portaleso, 2015)
Almacenadores
Los almacenadores por lo general son elementos que se encargan de mantener el aire comprimido listo para ser utilizado, por la naturaleza del funcionamiento, los almacenadores pueden ser tanques que tengan aire a muy alta presión, en el caso de máquinas transportables como se trata en la presente tesis, los tanques de almacenamiento pueden ser compactos, pero de muy alta capacidad. En la figura 10 se aprecia un tanque de almacenamiento.
14 En la figura 11 se ve el símbolo de un tanque de almacenamiento.
Figura 11. Tanque de almacenamiento. (Bueno, Portaleso, 2015)
Compresores
La presión de servicio es la suministrada por el compresor o acumulador y es la que existe en las tuberías que recorren el circuito. el compresor utiliza energía mecánica para realizar energía neumática, es por esto que es el elemento más importante en un
El compresor normalmente lleva primero el aire a un depósito para después coger el aire para el circuito desde depósito. En la figura 12 se aprecia un compresor, (Dino-Power, 2015)
Figura 12. Compresor industrial. (Dino-Power, 2015)
15
Figura 13. Símbolo de compresor. (Bueno, Portaleso, 2015)
2.3.4 TRATAMIENTO DE AIRE COMPRIMIDO
El aire comprimido en algunos casos de precisión necesita ser tratado, con complejos elementos, los mismos que ayudan a lubricar filtrar y eliminar posibles contaminaciones por parte de agua o polvo. (Guillén Salvador, 1988)
Un elemento tan complejo se lo conoce como una unidad de mantenimiento la misma que posee las siguientes partes:
Filtro con drenaje manual, purga de agua, el mismo que se aprecia en la
figura 14.
Figura 14. Filtro con drenaje manual. (Bueno, Portaleso, 2015)
Separador de neblina, el mismo que se representa con la simbología de la
figura 15.
16
Válvula de control de presión, posee una reguladora de presión de alivio,
se representa con la figura 16.
Figura 16. Válvula controladora de presión. (Bueno, Portaleso, 2015)
Manómetro, el mismo que se encarga de medir la presión de salida de aire,
se representa con la figura 17.
Figura 17. Manómetro (Bueno, Portaleso, 2015)
La unión de los elementos da una unidad de mantenimiento, la misma que se aprecia en la figura 18.
Figura 18. Unidad de Mantenimiento. (Bueno, Portaleso, 2015)
Existe un diagrama actualizado, el mismo que como se aprecia en la figura 19 es simplificado.
17
2.3.5 LEYES FÍSICAS DE LA NEUMÁTICA
El tema central de la presente investigación es el cálculo de un sistema neumático sencillo pero que necesita probar la funcionalidad del aire comprimido en la movilidad de las personas.
Para esto a continuación se detallan los estudios de los gases. Mismos que fundamentan el presente estudio.
Boyle y Mariotte
La temperatura constante, la presión absoluta es inversamente proporcional al volumen. (Serrano, 2004) Es decir:
= = = [2.1]
Donde:
P1, P2, P3 = Presiones absolutas [ KPa], [ Pa], [ Psi]
V1, V2, V3= Volúmenes de esas presiones. [ m3], [ ft3] (Serrano, 2004)
Gay/ Lussac
Otra ley importante a determinar en el estudio Neumático, es la Gay-Lussac, la misma que dice que, a presión constante, el volumen ocupado por un gas perfecto es directamente proporcional a la temperatura absoluta del mismo. (Serrano, 2004) Es decir que cuando se considera al aire un gas ideal “perfecto” se analiza la ley como:
18
Donde:
= Presión del gas
= Volumen del gas
= Número de moles de gas
= Constante universal de los gases ideales
= Temperatura del gas
Lo que se busca es entender la constante universal de los gases por lo tanto
es igual a R y se tiene.
[2.3]
Donde R es la constante de los gases ideales, para dos estados del mismo
gas.
[2.4]
Esto quiere decir que el número de moles es el mismo porque es la misma cantidad de aire.
[2.5]
/ = / [2.6]
Donde:
= Presión inicial
= Temperatura inicial
19 = Temperatura final
V= Volumen [ ], [ ]
T= Temperatura en grados Kelvin. [ K], [ R]
Caudal
La séptima ecuación a estudiar en el presente capítulo, es la ecuación del caudal, se lo representa con la letra Q, que básicamente quiere decir que es la cantidad de aire que atraviesa un conducto en un tiempo determinado.
Generalmente se lo representa con litros/minuto o metros cúbicos/ hora.
Para entender lo que significa el caudal es necesario determinar la siguiente formula que se puede cuantificar en una sección dada por unidad de tiempo.
= 1. 1 = 2. 2 [2.7]
Donde:
Q: caudal que se mide en [ /h] o [ /m]
A: sección de caudal [ ft²] [ m²]
V: velocidad del fluido [ ft/min] [ m/h]
20
2.4 MOTORES NEUMÁTICOS
Existen distintos tipos de motores, de aletas como se muestra en la figura 20 de igual manera los hay de pistones y de engranajes.
Figura 20. Motor de paletas (León, 2014)
Los motores neumáticos son mecanismos que convierten la energía neumática en energía mecánica, sus aplicaciones pueden ser desde pequeñas operaciones hasta movimientos de grandes elementos, los existen de distintas formas, pero básicamente su funcionamiento es el mismo.
En el capítulo a continuación se detalla una clasificación real de los motores neumáticos.
2.4.1 CLASIFICACIÓN DE MOTORES NEUMÁTICOS
21
Giro horario, anti horario y reversible
Un motor reversible cuenta con la capacidad de girar a los lados, el mismo funcionamiento que se describe en el siguiente acápite.
Para un motor reversible, la lumbrera “a” es la entrada para rotación en sentido horario. La lumbrera “c” es la salida principal y la lumbrera “b” es la salida secundaria. En rotación a izquierdas, la lumbrera “b” se convierte en la entrada, y la lumbrera “a” en la salida secundaria. La lumbrera “c” sigue siendo la salida principal como se muestra en la figura 21. Los motores LZB están diseñados conforme a lo explicado anteriormente.(Copco, 2014)
Figura 21. Motor de paletas reversible (Inc., 2010)
Motores neumáticos reversibles o un solo sentido de giro
22
Motor de aletas LZL
Los motores de aletas LZL, son de reducidas dimensiones, son creados por la empresa Atlas Copco, han sido reconocidos por su bajo consumo de aire y su gran eficiencia energética, de igual manera proveen un par continuo.
Como apoyo para esta función como se muestra en la figura 22, los motores LZL también reciben un suministro de aire comprimido debajo de las aletas.(Copco, 2014)
Figura 22. Motor paletas de Atlas Copco (Copco, 2014)
Motores neumáticos de pistones:
Los motores de pistones al igual que en los motores a combustión interna, funcionan con la fuerza ejercida sobre el pistón los mismos pueden ser de 2, 4 a 6 cilindros como se muestra en la figura 23. La potencia se desarrolla bajo la influencia de la presión encerrada en cada cilindro. (Neumac, 2000)
Trabajan a revoluciones más bajas que los motores de paletas. Tienen un par de arranque elevado y buen control de su velocidad. Se emplean para trabajos a baja velocidad con grandes cargas. (Neumac, 2000)
23
Figura 23. Motor de aire comprimido de pistón (Neumac, 2000)
2.4.2 CARACTERÍSTICAS DE UN MOTOR NEUMÁTICO
Los motores neumáticos cuentan con varios puntos positivos, los mismos que se desarrollan a continuación:
Diseño compacto y ligero.
El par del motor neumático aumenta con la carga
El arranque, el paro y el cambio de sentido de giro son instantáneos.
Par y potencia regulable.
Mantenimiento mínimo.(Neumac, 2000)
2.4.3 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR
La energía necesaria para mover el eje del motor requiere de un ciclo importante de mencionar, el mismo procedimiento se describe a continuación:
1: El aire entra en la cámara de aspiración “a”. La aleta 2 ha sellado la cámara
24
2: Las aletas han girado un poco más y ha comenzado el proceso de
expansión en la cámara “b”.
3: Las aletas se han movido un poco más. La cámara “b” está siendo vaciada
ahora a través de la salida, y ya no existe contribución desde esta cámara.
Figura 24. Funcionamiento del motor de paletas (Inc., 2010)
2.4.4 PRESIÓN DE TRABAJO
La presión de trabajo varía entre 3 a 7 bares, esto depende de la aplicación del motor, estos motores están diseñados y tienen que calibrarse la entrada de aire, ya que a esa presión generan las mejores prestaciones. (Guillén Salvador, 1988)
Si se sobre esfuerzan los motores, es decir que se utilizan en presiones superiores a las preestablecidas por los fabricantes se puede contribuir con el daño prematuro del elemento. Es por esto que es súper importante la calibración de la salida ya sea del compresor como del tanque de almacenamiento. (Guillén Salvador, 1988)
25
Potencia
La potencia en motores neumáticos es uno de los valores más importantes a determinar, para entender la potencia, en la figura 25, la misma se puede apreciar en el eje Y, La potencia va en relación a las revoluciones del motor es por eso que se determina la curva entre potencia y RPM, no determina una magnitud matemática, puesto a que los valores son ascendentes de acuerdo a la medición.
Por otra parte, hay que resaltar que, de acuerdo al motor neumático, esta potencia puede tender a la baja.
Cada fabricante produce motores con determinada potencia, la misma que se detalla en catálogos. (Neumac, 2000)
Figura 25. Potencia en motor de aire(Neumac, 2000)
Regulador de velocidad
Un regulador de velocidad es un elemento que permite transformar las altas velocidades en potencia adicional, son conocidos como reductores.
26 En la figura 26, se aprecia la curvatura del motor con regulador de velocidad. Es superior en potencia y en par motor.
Figura 26. Motor con regulador de velocidad (Neumac, 2000)
Par motor
El par del motor neumático es distinto al que se puede determinar en un motor convencional, esto se debe a que en la actualidad los motores neumáticos poseen par descendente. Ya que básicamente el par es el efecto biela manivela.
27
Figura 27. Máxima potencia (Neumac, 2000)
2.5 DISEÑO DE MECANISMOS EN COMPUTADORA
Como parte fundamental del objetivo principal, el diseño forma parte medular en lo que se refiere al diseño y construcción, por lo tanto, es importante definir los parámetros a desarrollar para la elaboración de dicho trabajo.
Dentro del desarrollo de máquinas y herramientas, los programas computacionales han ganado en su totalidad los espacios necesarios para este fin.
2.5.1 DEFINICIÓN
28 El diseño computarizado ayuda a eliminar costos y aumentar la eficiencia en la creación y construcción de máquinas, herramientas, desde una botella de agua hasta un transbordador lunar, todo desde la comodidad de la computadora de escritorio.
2.5.2 PROGRAMAS DE DISEÑO DE MÁQUINAS
Para realizar la tarea de diseñar, existen diferentes plataformas digitales, las mismas que determinan la necesidad del mercado.
En el siguiente capítulo se detallan las más importantes del mercado y se analizan sus diferencias.
Solid Works
Solid Works es una plataforma virtual, la misma que utiliza el principio de MCAD, que, por sus siglas en inglés, significa, Diseño mecánico asistido por computadora.
Cada año, se ve que los usuarios crean ensamblajes cada vez más grandes y complejos.
29
Figura 28. Diseño realizado en Solid Works. (Cimatec, 2015)
Catia
Catia por su parte ha revolucionado con la experiencia 3D, basándose en una plataforma potente, por su complejidad es utilizada para desarrollar maquinas con altos niveles de calidad, empresas del mundo automotriz, desarrollan en la misma plataforma elementos con alto grado de perfección. (Abgam, 2015)
En la ingeniería, el estudio de las maquinas puede conjugarse con la computadora, permitiendo grandes logros, se pueden hacer pruebas en los mecanismos, en los materiales y en cualquier elemento, en la figura 29, se aprecia un claro ejemplo de un diseño realizado en Catia.
30
Maya
Maya 3d, software desarrollado por la misma casa del software de arquitectura más famoso del mundo, AutoCAD.
Es una herramienta para aquellos diseñadores del mundo Adimensional, es decir que no puede ser utilizado como base para un prototipo real, realiza las animaciones publicitarias, por un lado, el fuerte siempre ha sido enfocado al diseño de animaciones de la pantalla grande. En la figura 30 se observa un modelo realizado en Maya.
Figura 30. Casa modelada en Maya. (Jacqueline, 2015)
2.5.3 RENDERIZADO
La diferencia entre un diseño de un prototipo y una presentación a cliente, siempre ha sido determinada con un renderizado, este es el punto más importante del programa utilizado para el diseño de las piezas, en la figura 31, se aprecia un ejemplo del renderizado, claro está que, de acuerdo al tipo de tarjeta de video, el desempeño puede ser mayor o menor en relación al tiempo.
31
Figura 31. Render, antes y después. (IMOarc, 2015)
2.5.4 PRUEBAS ESTÁTICAS VIRTUALES
32 Con programas de diseño computarizado, es posible realizar diseño de cualquier dispositivo, el mismo que puede ser sujeto a pruebas de cargas estáticas, térmicas, dinámica, etc.
Las pruebas estáticas se realizan en base a dos preposiciones, las mismas que se describen a continuación:
Suposición Estática. Significa que se sube la carga en un punto determinado de la estructura.
Linealidad. la relación entre la carga y la estructura, la deformación permisible.
. En la figura 32, se puede apreciar un estudio estático. (Grupo Carman, 2015)
Figura 32. Estudio estático. (Grupo Carman, 2015)
Factor de seguridad
33 teoría del fallo elástico en medida de la resistencia de un material, cuando este se puede llegar a romper o fracturar.
Esta es una magnitud escalar proporcional a la energía de deformación elástica de distorsión que puede expresarse en función de las componentes del tensor tensión, en particular admite una expresión simple en función de las tensiones principales.
Este valor de ser positivo determina que el diseño de determinada estructura soporta o no una carga, de ser menor a 1, es muy posible que la estructura o el mecanismo se rompa o falle.
Para calcular este valor se debe de realizar la siguiente expresión.
=∑∑ [2.8]
Donde:
= Factor Von mises
∑ = Sumatoria resistencia del material.
∑ = Sumatoria carga calculada.
34
3 METODOLOGÍA
Cuando se decidió el objetivo del proyecto en sí y tratándose de acoplar un motor neumático a una motocicleta, lo primero que se hizo fue un estudio histórico en cuanto a la neumática en automóviles para así disponer de claros conocimientos sobre la tecnología usada y con ello poder disponer de una idea sobre los elementos que serán necesarios para propulsar una motocicleta utilizando aire comprimido.
Una vez cerciorados dichos elementos se deberán seleccionar estos conforme a las necesidades del proyecto, es decir las características que deberá de cumplir la motocicleta, para ello se realiza una investigación en base a la motocicleta adquirida para este proyecto se selecciona las características y requisitos que debería cumplir si fuese una motocicleta con motor neumático.
Es necesario continuar con el resto del análisis metodológico, posteriormente se enlazarán los métodos para obtener una correcta elaboración del trabajo practico; todos los elementos analizados serán recopilados a continuación:
3.1 MÉTODOS
El presente trabajo, tiene la finalidad de crear un dispositivo, que sea capaz de movilizarse con la ayuda de aire comprimido, pese a que el aire de almacenamiento en tanques no es un combustible, es capaz de realizar el accionamiento de motores y de elementos mecánicos.
35 Los métodos utilizados para la realización del dispositivo, tanto en la parte práctica como en la parte teórica son los siguientes:
3.1.1 MÉTODOS TEÓRICOS
Se recopiló por medio de un análisis detallado, la más amplia información referente al tema propuesto, esta información intenta ser una fuente válida para futuros trabajos, misma que puede servir para el desarrollo de sistemas neumáticos de fácil accionamiento.
Posteriormente a esto se necesita explicar que el trabajo recopiló temas tanto de la industria automotriz, como de otras industrias.
Los métodos teóricos de igual manera ayudan a realizar pruebas de una manera más práctica y por lo tanto esta información es complementaria con los análisis realizados de una manera manual.
La elaboración de elementos mecánicos debe fundamentalmente basarse en el desarrollo de mecanismos por medio de una interpretación bibliográfica, a lo largo del segundo capítulo, se puede determinar una correcta recopilación de textos, esta información puede ser de vital importancia para el desarrollo de dispositivos de las mismas características.
3.1.2 MÉTODOS EMPÍRICOS
36 Este método se vale de la verificación empírica, por lo tanto, no pone a prueba hipótesis mediante el mero sentido común, sino mediante una cuidadosa contrastación por medio de la percepción, sea esta susceptible de medición en alguna magnitud.
Es importante determinar que de igual manera se necesitan distintas técnicas que complementen a los métodos detallados, los mismos que se detallan en el siguiente capítulo.
A continuación, detalla el proceso realizado, de una manera más detallada, analizando cada parte del mismo.
3.2 TÉCNICAS
En el presente capítulo se detallan las técnicas usadas, es importante determinar que poco a poco se ha ido construyendo la motocicleta propulsada por aire comprimido, con la ayuda de las siguientes técnicas.
3.2.1 OBSERVACIÓN
Por medio de la técnica de investigación más conocida como la observación se ha realizado el trabajo, la misma que se puede interpretar de dos maneras:
3.2.2 LA OBSERVACIÓN PARTICIPANTE
37 información "desde adentro". Esto quiere decir que, como parte del proyecto, el desarrollador ha participado en todos los niveles del estudio.
Toda esta herramienta se refleja en la construcción, prueba y puesta a punto del dispositivo a desarrollar.
3.2.3 LA OBSERVACIÓN DE CAMPO
La observación de campo es el recurso principal de la observación descriptiva; se realiza en los lugares donde ocurren los hechos o fenómenos investigados. Puesto como se aprecia posteriormente es necesario ser parte del proyecto todo el tiempo en el exterior para las pruebas del sistema desarrollado.
3.3 PROCEDIMIENTO A REALIZAR
Se realizó el siguiente procedimiento, el mismo que se detalla a profundidad en el capítulo 4.
Estudio de motores neumáticos.
Selección de motor neumático.
Diseño del circuito neumático.
Selección de materiales.
Adquisición de motocicleta.
Desarmado de la motocicleta y tomado de medidas.
Selección de tanque de almacenamiento.
Instalación del sistema neumático.
Puesta a punto del sistema.
Pruebas de ruta.
38
4 ANALISÌS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El análisis de resultados, es la parte más importante del trabajo de tesis, en la misma se ubican los cálculos de la selección del motor y del resto de piezas, es determinante para una correcta selección de materiales un análisis previo, el mismo que se detalla en los capítulos posteriores a esta pequeña introducción.
Primeramente, se va a realizar un estudio de la motocicleta a utilizar, la misma que debe ser hecha una serie de pruebas de resistencia estática de la misma, pese a que la motocicleta ya se encontraba construida fue necesario realizar este procedimiento para poder calcular la resistencia de la base del motor.
Una vez determinado esto, es importante determinar la utilización de los motores neumáticos, el mismo estudio que debe dar fe del motor a seleccionar para el presente trabajo.
Con dicho motor es necesario realizar un diseño del circuito neumático, el mismo que debe determinar los materiales a utilizar.
Con la selección de materiales, se dio paso a la adquisición de los mismos, la primera cosa fue la motocicleta, con la motocicleta adquirida, fue necesario desarmarla para medirla.
Con toda la motocicleta medida se procedió a medir el resto de elementos, es importante determinar que cada elemento fue anteriormente estudiado y esto se fundamenta a en base a los cálculos matemáticos pertinentes.
Sentado el motor en el lugar definitivo, es necesario dar paso a la selección de tanque de almacenamiento, el mismo que debe ser pequeño, pero soportar una gran capacidad de aire.
39 A continuación, se detalla en el presente capítulo el análisis de resultados, detallando cada punto anteriormente mencionado, una vez leído y comprendido toda la construcción del mismo, se debe dar paso al análisis de las conclusiones y recomendaciones.
4.1 MOTOCICLETA
La motocicleta como se analiza en el segundo capítulo, es un vehículo compacto, por su reducido peso, puede transportar personas y puede ser una plataforma perfecta para la implementación de motores neumáticos de reducidas dimensiones.
Cabe mencionar que la adquisición de la motocicleta, fue realizada por el autor de la presente tesis.
Es importante determinar que la motocicleta debido al costo que puede generar para el siguiente proyecto, debe fundamentarse su adquisición, y deben analizarse los puntos a favor y en contra de las motocicletas del mercado local, para esto en el siguiente capítulo se analiza el parámetro utilizado para la selección de la motocicleta.
4.1.1 SELECCIÓN DE LA MOTOCICLETA
La selección de la motocicleta, para la elaboración del presente trabajo de titulación es uno de los temas centrales, es por esto que se deben analizar distintas variables del entorno, las mismas deben determinar la motocicleta que será utilizada en el trabajo.
40 por varias razones las mismas que determinan la facilidad de adquisición y componentes de fácil acceso y económicos.
Tabla 1.Ventajas y desventajas por marcas
Consumo de aceite Consumo de combustible (Km/Gal) Tipos de frenos Peso en
bruto (kg) Refrigeración Precio Tot
al Yamaha 2l (4) 170 (4) Disco (5) 160 (2) Liquido (5) (2) 22
Suzuki 2l (4) 92 (2) Disco y
tambor (3) 125 (5) Aire (4) (3) 21 Honda 3l (3) 140 (3) Disco (5) 170 (2) Aire (4) (3) 20 Kawasaki 3l (3) 170 (4) Disco (5) 200 (2) Aire (4) (2) 20 Ktm 2.5l (3) 160 (4) Disco (5) 135 (4) Liquido (5) (1) 22 Ducati 3l (3) 120 (3) Disco (5) 140 (3) Liquido (5) (1) 20 Bmw 3l (3) 190 (5) Disco (5) 130 (4) Liquido (5) (1) 23 Aprilia 3l (3) 100 (2) Disco (5) 135 (4) Liquido (5) (1) 20
Harley-Davison 3.5l (2) 88 (1)
Disco y
tambor (3) 230 (1) Liquido (5) (1) 13
Chinas 1l (5) 130 (3) Disco y
tambor (3) 130 (4) Aire (4) (5) 24
La matriz de valoración se determina en 5 como el valor más alto y 1 la nota más baja que pueda obtener la motocicleta, es necesario determinar que, para el trabajo, la motocicleta será adquirida por parte del autor.
La motocicleta seleccionada fue la de procedencia China, la misma que
gracias a sus prestaciones como se analiza previamente es la de mejores características, la más importante es la monetaria.
La motocicleta seleccionada cuenta con las siguientes condiciones tanto mecánicas como físicas:
Tipo: Monocilíndrico vertical de 4 tiempos.
Cilindrada: 243,4 c.c.
Refrigeración: Por aire.
Potencia: 15,4 HP a 7650 RPM.
Marchas: Caja de cambios de 5 marchas.
Encendido: Electrónico por CDI.
Arranque: Eléctrico.
41
Dimensiones
Este tema es muy importante puesto que las dimensiones serán utilizadas para la selección del motor neumático por una parte y del alojamiento para el tanque de aire comprimido, las mismas que se detallan a continuación:
Largo Total 2075 mm
Ancho Total 805 mm
Alto Total 1190 mm
Capacidad de carga200 Kg. (aprox.)
Freno delantero de disco autoventilado
Freno trasero de disco autoventilado
Suspensión delantera Horquilla telescópica hidráulica
Suspensión trasera Amortiguador mono shock
Neumático delantero120/90-18
Neumático trasero80/100-21
Todas las características descritas anteriormente conducen a un elemento principal para llevarlas a cabo, este elemento es el motor, que se encargará del movimiento de la motocicleta con una potencia y velocidad deseada y con un consumo especifico que marcará la autonomía, con todo esto se hace necesario concretar en este punto el motor como base del trabajo.
Con toda esta información se puede dar paso al estudio de la estructura, mismo que debe ser fundamentado de una manera matemática.
4.1.2 ESTUDIO DE LA ESTRUCTURA DE LA MOTOCICLETA
42 la misma, para analizar la resistencia de la motocicleta es necesario analizar la carga necesaria y la carga máxima.
La carga que una motocicleta soporta es de dos personas de hasta 200 kg, en adición al peso de la motocicleta, este valor debe sumársele el peso del tanque de combustible lleno y del motor.
El tanque de combustible vacío pesa 5kg y almacena 25 litros.
El peso del combustible es de:
í = 25 0.84
í = 21 .
El peso del motor es de 13 kg, mismo que fue desmontado para realizar la medición y se encontraba con el depósito de aceite lleno.
Dando una carga total de:
á = + +
= 200 + 21 + 13
á = 234
Esto quiere decir que, si se multiplica esta carga por la gravedad (9.8m/ ) ,
se obtiene el peso en Newtons.
= 234 ∗ 9.8
= 2293.2
Esta es la carga máxima por la que fue diseñada la motocicleta adquirida.
43 Para esto se debe analizar que todas las partes de la motocicleta quedan sometidas a fuerzas axiales ya sean de tensión o de compresión.
El tubo de la motocicleta es de diámetro 40mm y presenta un grosor de 3mm, esto da un diámetro interno de 34mm, como se aprecia en la siguiente figura 33.
Figura 33. Sección del tubo.
Se calcula el área interna del tubo misma que es de 34mm de diámetro.
= ∗
1 = ∗ 0.017
Esto da:
1 = 0.000907922
Se calcula el área externa del tubo misma que s de 40mm de diámetro.
2 = ∗ 0.020
Esto da:
2 = 0.001256
Dando un área total de
=
0.001256 0.00907
0,000349
Diámetro externo 40mm
44 Utilizando la siguiente formula se puede determinar la carga permisible, con dicha información se puede comprobar el factor de seguridad de la estructura tubular.
= 2 ℎ3
Donde:
= flexion
= Limite elástico
= superficie interna
ℎ= altura de compresión (4mm de sección lateral del tubo de 2mm de espesor
de cara
= Longitud externa
=620(2(4.0(3.6 )))3(40)
= 536.68
Esta información permite determinar el esfuerzo máxima generable en la sección de área determinada. En Newtons es de 5256,36N,
Utilizando la siguiente expresión a continuación, misma que puede calcular el factor de seguridad.
=∑∑
Donde:
= Factor Von mises
∑ = Sumatoria resistencia del material.
45 Se puede calcular que:
=5256.362293.2
= 2,2921
De esta manera se puede determinar que el factor de seguridad es positivo, dando una resistencia de entre el doble de lo diseñada, es por esta razón que una motocicleta puede normalmente transportar entre 3 y 4 personas como máximo.
En programas computarizados este valor se calcula de forma automática en estudios de pruebas estáticas y dinámicas.
Con estos datos, se puede determinar que se requieren grandes esfuerzos para poder determinar una falla en la estructura, esto se resume a una correcta selección del material para la elaboración de la estructura.
Estudio digital de la estructura
Con los datos obtenidos previamente, se analiza la estructura de una manera digital, esto para poder tener una prueba de resistencia que permita comparar el criterio matemático inicial.
Para esto la motocicleta fue analizada en computadora, el mismo modelo que ayudó a determinar las cargas mecánicas permisibles en una prueba de resistencia estática, hay que primero determinar el material a utilizar en la prueba, el mismo que debe ser de igual resistencia que el original.
46 acuerdo a los ensayos de dureza de Brinell. Misma información que se aprecia en la tabla 2, a continuación:
Tabla 2. Propiedades del acero DIN 17175 Propiedades
Nombre: Acero DIN 17175
Tipo de modelo: Isotrópico elástico lineal
Criterio de error predeterminado: Tensión de von Mises máx.
Límite elástico: 6.20422e+008 N/m^2
Límite de tracción: 5.0e+008 N/m^2
Módulo elástico: 2.9e+011 N/m^2
Coeficiente de Poisson: 0.28
Densidad: 7700 kg/m^3
Módulo cortante: 7.9e+010 N/m^2
Coeficiente de dilatación térmica: 1.3e-005 /Kelvin
Utilizada la carga previamente calculada, y utilizando los puntos de apoyo verticales, se posicionan de acuerdo a la superficie de la motocicleta, como se aprecia en la figura 34, el centro de gravedad se auto calcula con el programa Solid Works.
47 Una vez seleccionadas estas cargas, es necesario realizar el mallado de la superficie, el mallado consiste en separar la carga aplicada en distancias similares, la misma que se aprecia ya en color azul, esto significa que la computadora realizara la prueba de resistencia desde este momento, tal y como se aprecia en la figura 35.
Figura 35. Prueba de resistencia estática
Los resultados de la prueba de resistencia son calculados como se aprecian en la tabla 3.
Tabla 3. Esfuerzos de tensión máximos.
Nombre Tipo Mín. Máx.
Tensiones1 VON: Esfuerzo de von
Mises
2.645 N/m^2 Nodo: 3091
1.793x10^5 N/m^2 Nodo: 15393
48
Figura 36. Punto de mayor resistencia.
De acuerdo al material, se puede apreciar que la flexibilidad del mismo contribuye a que pese a la excesiva carga aplicada, no exista una rotura del mismo.
En la figura se aprecia el punto de mayor resistencia, como se puede apreciar, se contrae y por el material utilizado existe una notable maleabilidad del mismo.
Figura 37. Punto de mayor Esfuerzo.
El esfuerzo de
tension de Von Mises es una magnitud física proporcional a
la energía de
distorsión
El esfuerzo de la tensión de Von Mises puede calcularse a partir de la expresión de la energía de deformación
49 Con la información que se obtuvo de las pruebas preliminares se puede apreciar los datos en la tabla 4. En la misma que se indican las fuerzas resultantes, esta tabla puede determinar en primera instancia que el desplazamiento máximo producto de la suma de las fuerzas es mínimo, esto solo puede determinar que el diseño si pasa las cargas administradas y determina que el momento de la reacción es 0, porque el mallado del mismo modelo es de reducidas dimensiones.
Tabla 4. Fuerza de reacción y momento de reacción. Fuerzas resultantes
Fuerzas de reacción Conjunto
de selecciones
Unidades Sum X
Sum Y Sum Z Resultante
Todo el modelo
N 0.08104 4.29623
-0.000171461
4.29699
Momentos de reacción Conjunto
de selecciones
Unidades Sum X
Sum Y Sum Z Resultante
Todo el modelo
N.m 0 0 0 0
Con esta información se justifica la construcción de la motocicleta propulsada por aire comprimido, la construcción del chasis es de materiales de alta calidad, aun cuando las motocicletas de procedencia China poseen una mala reputación, el estudio de la estructura es de muy alta calidad, es posible cargar la estructura con el peso de hasta 4 personas sin obtener roturas.
50
4.2 SELECCIÓN DEL MOTOR
La adquisición del motor neumático debe estar plantada en base a una serie de parámetros. Entre los más importantes las revoluciones y la potencia del mismo, y en un sistema que funciona en base al aire comprimido, se debe fundamentar de igual manera el consumo de aire o mejor conocido como el caudal.
Entre todos los motores posibles que se buscó hay que elegir el que produzca la potencia máxima lo más cerca posible del punto de trabajo. Este motor ofrecerá también el consumo más bajo de aire para una potencia dada, esta información tiene que ser cercana a las especificaciones de fábrica de la motocicleta para poder tener una referencia.
Para el presente trabajo de titulación se debe fundamentar por otro lado el peso del depósito del aire para comparar el peso de la motocicleta con el sistema de propulsión normal (gasolina) vs el sistema de propulsión neumática.
4.2.1 CÁLCULO DEL MOTOR
El elemento fundamental en cuanto a la movilidad y funcionalidad de la motocicleta es el motor. Se va a definir un motor neumático después de conocer las características que debe disponer.
51 Para la utilización que se va a dar como accionamiento de una motocicleta debería colocarse un regulador de velocidad que impida que el motor se acerque a la velocidad de vacío ni pase de ciertas revoluciones y se mantenga trabajando cerca del punto de máxima potencia.
Originalmente el motor a gasolina cuenta con un motor de: 15,4 Hp (11.3 KW)
a7650 r.p.m.
Se determinó un catálogo de los motores HX8AM, mismos que son de aletas y tienen potencias de entre 1,3 a 6,5 kW dentro de estos el que mejor se ajusta a las características buscadas es el modelo HX8AM-H, este motor será la base del sistema neumático que se encargará de mover la motocicleta, el motor es el elemento base sobre el que dependen y se generan los demás elementos se necesitan tanto en el ámbito neumático como en temas mecánicos. El motor seleccionado es el HX8AM-H, en base a que el mismo puede llegar a pesar 1.8kg, esta es una virtud si se compara con el peso del
motor a gasolina, con el tanque de combustible llega a pesar 34kg, este es un
dato importante puesto que existe una notable diferencia de peso, no se consideran motores de mayor tamaño puesto que el costo de los mismos es sumamente elevado, un motor de 15kW, llega a costar 2000 dólares y el peso del mismo limitaría totalmente el proyecto puesto que el consumo del mismo en cuanto al aire, es de dimensiones elevadas.
Al final del anexo 1 se aprecia las dimensiones del motor neumático utilizado, mismas dimensiones que deben ser tomadas en cuenta para la colocación de la base del motor en el chasis y del piñón que conectara con la cadena.
4.3 CÁLCULO DEL DEPÓSITO DE AIRE COMPRIMIDO
52 puedan usar sin depender de un deposito fijo, por ello los depósitos pueden acoplarse a la motocicleta y ser transportados por ella.
El factor más importante del que depende el depósito es el consumo de aire que tiene el motor, para saber así la cantidad de aire que será necesario almacenar teniendo en cuenta también la autonomía de la que se requiere que disponga la motocicleta.
El motor debe poseer al menos 15 minutos de autonomía, para lo que se calcula de la siguiente manera el aire requerido.
El motor necesita: 175cfm1 lo mismo que es 4955.4435litros por minuto = 5000
litros de aire por minuto.
Multiplicando lo mismo por los 15 minutos necesarios.
Da un total de 75.000 litros de aire necesarios.
Utilizando la fórmula de los gases, se plantea por lo tanto un depósito que sea del siguiente volumen interno.
ó 1 1 = ó 2 2
1 74331 = 300 2
2 = 247.77
O mejor conocidos como
2 = 0.247
Se determina que el tanque debe tener al menos 0.247 , a una presión de 300 bares, esto con el limitante de la posible explosión del depósito a mayor presión, si se determina de esta manera que cada litro de aire pesa 1 kilogramo.
53 El peso del tanque podría llegar a ser de 247 kg, es por esto que se debe determinar un compuesto ligero para el almacenamiento del mismo.
4.3.1 TECNOLOGÍA DEPÓSITOS AIRE COMPRIMIDO.
La tecnología actual en cuanto a depósitos de aire comprimido es bastante diversa según el uso al que están destinados. En este capítulo se centrará en los depósitos que almacenan aire comprimido, pero a alta presión, es decir para usos bastante específicos.
En cuanto al diseño formal de los depósitos de aire comprimido a alta presión hay que destacar el uso de formas redondeadas, dichas formas derivan de la esfera debido a que es el cuerpo geométrico con menos superficie para su volumen y con ello estos depósitos soportan menos esfuerzos superficiales que además están distribuidos equitativamente, un diseño esquinado o con formas irregulares serviría de concentradores de presión y de puntos críticos, de ahí la forma cilíndrica de los mismos.
Esto va a imponer la necesidad de utilizar una bombona lo suficientemente resistente para que resista esa presión, el peso y que pueda ser de fácil adaptación en el sistema.
El volumen necesario es de 0.247 m3, para esto se analiza que el deposito debe ser de 247 litros netos de aire, ayudado con el diámetro del espacio permisible, mismo que es de 500mm, se puede determinar que:
= ℎ
Donde:
r = radio del cilindro
54
0.247 = 0.25 ℎ
0.247/ 0.25 = ℎ
ℎ = 1.25
La necesidad de almacenar a una presión de 300 bares permite recurrir a materiales de alta resistencia pero que a la vez no sean demasiado pesados, además se debe realizar un diseño del depósito acorde para su correcta instalación en la motocicleta, para lo cual se determina que es necesario un depósito de 1000mm con un diámetro de 500mm.
Pero el cálculo de los depósitos no acaba solamente en el tamaño y disposición del mismo, es todavía más importante conocer el material del que están hechas las bombonas y que debe resistir los 300 bares de presión y ser lo suficientemente liviano para no añadir un excesivo peso a la motocicleta con lo que dificultaría en muchísimo la movilidad sobre todo en cuanto existan pendientes.
Primeramente, se pensó en el acero debido al gran número de depósitos existentes de este material en la actualidad, pero rápidamente se encontró el problema del elevado peso por el grosor necesario para resistir la elevada presión de 300 bares.
La disposición adoptada para la bombona en la motocicleta es la de colocarla en lugar del tanque de gasolina en forma vertical, aprovechando así el área que queda libre donde se alojaban el motor y el depósito de combustible ya que no será necesario.
55 Con estos datos se debe comprobar la movilidad correcta de la motocicleta sobre todo para detallar la inclinación del terreno que será capaz de subir.
Se plantea utilizar un tanque de dichas dimensiones y especificaciones, para poder transportar al pasajero y a la motocicleta con total calma, se adquiere por lo tanto un depósito de:
201.24 litros, 500mm de diámetro, 1.25 metros de altura, espesor de 2.36mm mínimos, Acero B240 NTE INEN mismo con una fluencia máxima de 240MPa y una resistencia a la tracción de entre 350 y 470
MPa.
Queda claro que, si estas bombonas están homologadas para transportar un gas inflamable y explosivo como el gas natural, también pueden servir para llevar aire inofensivo y no inflamable.
Las bombonas deberán seguir los pasos establecidos en el código de diseño elegido referente a materiales, espesores de las mismas, ensayos no destructivos etc. Misma normativa que se aprecia en el anexo 3.
4.4 SISTEMA NEUMÁTICO
El sistema neumático va a ser el encargado de darle la movilidad a la motocicleta, para ello es preciso emplear aparatos que controlen y dirijan el aire comprimido de forma adecuada, lo que obliga a disponer de una serie de elementos que efectúen las funciones deseadas al control y dirección del flujo del aire comprimido.
El elemento primero y fundamental de dicho sistema neumático es el motor neumático el mismo que ya se ha seleccionado anteriormente.
56 producto real como si lo hice con el motor, sino que encontrare las características que deberán cumplir esos aparatos que serán parte del sistema neumático. A continuación, y a lo largo del presente capitulo se analizan los elementos seleccionados para la elaboración del trabajo practico.
4.4.1 Válvula reguladora de presión con manómetro
El primer elemento a seleccionar es la válvula reguladora de cauda, la misma que limita la salida de aire del depósito. El catalogo del primer anexo, determina que es necesario trabajar a 6 bares de presión, el deposito totalmente cargado debe poseer 300 bares de presión, es por esto que es necesario este elemento a la salida del depósito. Su símbolo neumático del regulador de presión es el que se muestra en la figura 38:
Figura 38. Válvula reguladora de presión con manómetro. (Bueno, 2003)
4.4.2 Válvula reguladora de caudal
57 Ya que el caudal se encuentra controlado por la válvula reguladora de presión, es importante detallar que la válvula que se está mencionando actualmente solo abre el paso del aire, el símbolo neumático de la válvula reguladora de caudal como se muestra en la figura 39.
Figura 39. Válvula reguladora de caudal. (Bueno, 2003)
4.4.3 Unidad de mantenimiento con lubricador
Los motores necesitan para su correcto funcionamiento estar lubricados, para ello se le añade al aire una pequeña cantidad de aceite mediante un lubricador. Para lograr la vida de servicio y el rendimiento óptimo, un motor
neumático debe recibir 50 mm3 de aceite por cada metro cúbico (1000 litros)
de aire consumido.
Una lubricación insuficiente dará como resultado un desgaste acelerado de las aletas y una disminución cuantiosa del rendimiento.
También se necesita colocar a la salida del motor un silenciador para disminuir el ruido ocasionado por el aire de escape. El nivel sonoro aumenta con la velocidad. Poniendo una manguera entre el motor y el silenciador, el nivel sonoro puede reducirse incluso más. Un silenciador puede ocasionar perdidas de potencia si está sobre dimensionado.