Diseño e implementación de un banco de pruebas por inmersión para la localización de fisuras en un bloque-motor de 4 cilindros

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E

INDUSTRIAS

CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS

POR INMERSIÓN PARA LA LOCALIZACIÓN DE FISURAS EN

UN BLOQUE-MOTOR DE 4 CILINDROS.

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ

MIGUEL ANGEL MORENO MURILLO

DIRECTOR: ING. CARLOS ROSALES

FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO PROYECTO DE TITULACIÓN

DATOS DE CONTACTO

CÉDULA DE IDENTIDAD: 1723771174

APELLIDO Y NOMBRES: Moreno Murillo Miguel Ángel

DIRECCIÓN: Cochapamba sur y cuarta transversal

EMAIL: [email protected]

TELÉFONO FIJO: 3316385

TELÉFONO MÓVIL: 0994117274

DATOS DE LA OBRA

TITULO: Diseño e implementación de un banco de pruebas por inmersión para la localización de fisuras en un bloque-motor de 4 cilindros. AUTOR O AUTORES: Moreno Murillo Miguel Angel FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO

DE TITULACIÓN:

29 de junio del 2016

DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:

Ing. Carlos Rosales

PROGRAMA PREGRADO POSGRADO

TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz

motor, por la cual el banco de prueba permitirá verificar si el bloque-motor se encuentra fisurado o pandeado en su superficie. El banco de pruebas por inmersión se realizó con el objetivo de aprendizaje y enseñanza para los estudiantes de la Universidad tecnológica Equinoccial, ya que es un equipo realizado para la práctica de verificación de fisura por inspección visual de un bloque-motor. Además permitirá obtener resultados gracias a la fusión del aire comprimido y el agua. El banco de pruebas por inmersión tiene el factor de seguridad necesaria para resistir el peso de los componentes y el peso adicional del bloque-motor, además tiene la capacidad de almacenar 127 litros de agua en su tanque, consta de un tecle eléctrico que le permite subir y bajar el bloque-motor, consta de un drenaje de agua y llenado, iluminación para localizar la fisura y luces piloto para la seguridad del operador. La presión de funcionamiento del banco de pruebas es de 60 Psi lo que es lo que normalmente trabaja una bomba de agua.

PALABRAS CLAVES: Esfuerzos, torsión, flexión, fricción, compresión, expansión, inmersión, tao, sigma, momento, cortante, hermeticidad, presión, esbeltez, factor seguridad, bloque-motor.

DEDICATORIA

La presente tesis está dedicada primordial mente a Dios, ya que gracias a él he podido concluir con mi carrera académica y me ha guiado en cada logro de mi vida.

A mis padres por brindarme todo el apoyo y consejos para hacer de mí una mejor persona, la que me han brindado mis valores, mis principios, mi carácter, mi perseverancia para poder seguir con mis objetivos trazados, les doy las gracias por haber creído en mí y acompañado en toda mi trayectoria profesional.

A mis padrinos por haberme acogido en su humilde hogar a lo largo de mi carrera académica, por haberme brindado el apoyo y compañía durante todo este tiempo les doy mi más sincero agradecimiento de todo corazón.

AGRADECIMIENTO

Mi agradecimiento le doy a quien forjado mi camino y me ha guiado por el sendero correcto de la vida, a Dios, el que me ayuda aprender de mis errores y a no cometerlos otra vez.

Le agradezco a la Universidad Tecnológica Equinoccial por haber llenado de muchos conocimientos a lo largo de mi carrera estudiantil, a mis docentes por haberme enseñado a emprender mis metas a lo largo de mi carrera. A mi docente tutor al Ing. Carlos Rosales por haber creído en mí para realizar este proyecto, y guiarme, brindándome su apoyo y conocimientos en este camino de la culminación de mi tesis para terminar con éxito.

Agradezco a mis padres por haber proporcionado la mejor educación y lección de vida, y por haberme enseñado que con esfuerzo, trabajo y constancia todo se consigue.

A mis hermanos y familiares por haber brindado apoyo, a mi tía por haberme dado posada durante todo este tiempo de vida estudiantil, en la que me ha tenido paciencia y haberme tratado como parte de su familia.

A mi abuelita Delia, por haberme aconsejado y retado en todo momento de mi vida. A todos aquellos que me han brindado el apoyo a lo largo de mi carrera.

i

ÍNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

RESUMEN xi

ABSTRACT xii

1. INTRODUCCIÓN 1

2. MARCO TEÓRICO 3

2.1 HISTORIA DEL AUTOMÓVIL 3

2.2 MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA 4

2.2.1 CULATA 5

2.2.2 BLOQUE-MOTOR 5

2.2.3 CARTER 6

2.3 CLASIFICACIÓN DEL MOTOR 7

2.3.1 POR NÚMERO DE CILINDROS 7

2.3.1.1 Motores mono cilíndricos 7

2.3.1.2 Motor poli cilíndrico 7

2.3.2 POR SU POSICIÓN 8

2.3.2.1 Motor delantero 8

2.3.2.2 Motor central 9

2.3.2.3 Motor trasero 10

2.3.3 POR SU GEOMETRÍA 10

2.3.3.1 Motor en línea 10

2.3.3.2 Motor en V 11

2.3.3.3 Cilindros V-R 11

2.3.3.4 Cilindros en W 12

2.3.4 TIPO DE REFRIGERACIÓN 12

2.3.4.1 Refrigeración por aire 12

2.3.4.2 Refrigeración por agua. 13

2.4 SISTEMAS DEL MOTOR 14

ii

2.4.1.1 Radiador 14

2.4.1.2 Ventilador 14

2.4.1.3 Bomba de agua 15

2.4.1.4 Termostato 16

2.4.1.5 Tapa radiador 17

2.4.1.6 Sensor de temperatura 18

2.4.1.7 Mangueras 19

2.4.1.8 Tapones de agua 19

2.4.2 SISTEMA DE LUBRICACIÓN 20

2.4.2.1 Colador de la bomba de aceite 20

2.4.2.2 Bombas de aceite 20

2.4.2.3 Válvula de seguridad de presión 22

2.4.2.4 Filtro de aceite 22

2.5 EL BLOQUE- MOTOR 23

2.5.1 FUNCIÓN DE BLOQUE-MOTOR 23

2.5.2 CONSTRUCCIÓN 23

2.5.3 PARTES DE BLOQUE-MOTOR 24

2.6 FALLAS DEL BLOQUE-MOTOR 25

2.6.1 SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN Y LUBRICACIÓN 25

2.6.2 DAÑOS DE FISURA EN EL BLOQUE-MOTOR 25

2.6.2.1 Daño por aceite en el anticongelante 25 2.6.2.2 Daño por anticongelante en el aceite 26 2.6.2.3 Daño por causas de humo en el escape 26 2.6.2.4 Daño por sobrecalentamiento del motor 27 2.6.3 FALLAS O FUGAS DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN 28

2.6.3.1 Fuga de refrigerante por bomba 28

2.6.3.2 Fuga de refrigerante por manguera o tapones 28

2.6.3.3 Falla en el termostato 29

2.6.3.4 Falla por el electro ventilador 29

2.6.3.5 Falla de la tapa del radiador 29

2.6.4 DAÑO POR MONTAJE 30

iii

2.6.4.2 Anomalía en apriete de pernos 30

2.7 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS 32

2.7.1 ENSAYO NO DESTRUCTIVO SUPERFICIAL 32

2.7.1.1 Inspección visual 32

2.7.2 ENSAYO NO DESTRUCTIVO VOLUMÉTRICO 33

2.7.2.1 Tintas penetrantes 33

2.7.2.2 Ensayo no destructivo por magnetismo 34 2.7.3 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS POR HERMETICIDAD 36 2.7.3.1 Prueba por cambio de presión hidrostática 36 2.7.3.2 Prueba por cambio de presión neumática 37

2.7.3.3 Pruebas de burbuja 37

2.8 FUNDAMENTOS APLICADOS AL DISEÑO DEL BANCO

DE PRUEBAS 37

2.8.1 FUNDAMENTOS DE PRESIÓN 37

2.8.1.1 Presión 37

2.8.1.2 Presión hidrostática 38

2.8.1.3 Principio de Arquímedes 38

2.8.1.4 Fuerza que ejercen dentro de un tanque 39 2.8.1.5 Presión sobre la profundidad de un tanque 39

2.8.1.6 Prueba de estanqueidad 40

2.9 RESISTENCIA DE MATERIALES 40

2.9.1 DIFERENCIA ENTRE MASA Y FUERZA 40

2.9.2 ANÁLISIS DE ESFUERZOS 40

2.9.1.1 Esfuerzo 40

2.9.1.2 Deformación 41

2.9.1.3 Esfuerzo cortante 42

2.9.1.4 Momento de flexión 42

3. METODOLOGÍA 43

iv

4.1. DISEÑO DEL BANCO DE PRUEBAS 53

4.1.1. TIPO DE MATERIAL PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL

BANCO DE PRUEBAS 53

4.1.2. ESTRUCTURA PRINCIPAL 54

4.1.2.1. Cálculo de mesa principal 55

4.1.3. ESTRUCTURA SECUNDARIA 62

4.1.3.1. Torre de sujeción de bloque-motor 62

4.1.3.2. Cálculo de la torre 63

4.1.3.3. Brazo corredizo 70

4.1.3.4. Prensa ajustable del bloque-motor 71

4.1.3.5. Soldadura 72

4.1.4. PERNOS Y TUERCAS 73

4.1.4.1. Resistencia a cortante 73

4.1.4.2. Resistencia a tracción 74

4.1.5. RODAMIENTOS 75

4.1.6. PLANCHA DE ACRÍLICO 75

4.1.7. EMPAQUE DE CAUCHO 76

4.1.8. TECLE ELÉCTRICO 76

4.1.9. TANQUE 78

4.1.9.1. Cálculo de fuerza en las caras del tanque 78

4.1.10. ELECTROVÁLVULAS DE INGRESO DE AGUA 80

4.1.11. BOMBA DE AGUA 81

4.1.11.1. Calculo de bomba de drenaje 82

4.1.12. MANÓMETRO 83

4.1.13. MANGUERA DE PRESIÓN 83

4.1.14. ACOPLES DE PRESIÓN 85

4.1.15. EQUILIBRADORES DE PATAS 86

4.1.16. CANALETAS 86

4.2. SISTEMA ELÉCTRICO 87

4.2.1. CABLEADO 87

4.2.2. TERMINALES 87

v

4.2.4. PULSADORES 88

4.2.5. FINAL DE CARRERA 89

4.2.6. LUZ TESTIGO 90

4.2.7. LÁMPARAS FLUORESCENTES 90

4.2.8. SOCKET 91

4.3. PRUEBA DEL BANCO DE PRUEBAS POR INMERSIÓN 91

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 93

5.1. CONCLUSIONES 93

5.2. RECOMENDACIONES 94

BIBLIOGRAFÍA 95

vi

ÍNDICE DE TABLAS

PÁGINA

Tabla 1. Identificación de pernos 30

Tabla 2. Apriete de pernos (lb-pie) 31

Tabla 3. Variaciones de torque 31

Tabla 4. Descripción del bloque-motor 54

Tabla 5. Propiedades de sección cuadrada 55

Tabla 6. Comprobación del cumplimiento del material 40 mm x 2 mm,

L = 790 mm. 60

Tabla 7. Comprobación del cumplimiento del material 40 mm x 2 mm,

L = 500 mm. 61

Tabla 8. Descripción del material de estructura secundaria 63

Tabla 9. Comprobación del Material Tubo cuadrado 50x2 mm 66

Tabla 10. Especificación del perfil en U. 67

Tabla 11. Especificación del perfil en U. 68

Tabla 12. Pernos utilizados en el banco de pruebas 73

Tabla 13. Especificación de tecle 77

Tabla 14. Resultados de cálculos del tanque 79

Tabla 15. Especificación de bomba 82

Tabla 16. Especificación de manguera 84

Tabla 17. Tipos de acoples utilizados en el banco de pruebas 85

vii

ÍNDICE DE FIGURAS

PÁGINA

Figura 1. Estructura de la culata 5

Figura 2. Estructura del bloque-motor 6

Figura 3. Carter 6

Figura 4. Motor Mono-cilíndrico 7

Figura 5. Motor poli-cilíndrico 8

Figura 6. Motor delantero 9

Figura 7. Motor Central 9

Figura 8. Motor Trasero 10

Figura 9. Motor en línea 11

Figura 10. Motor en V 11

Figura 11. Motor en V-R 12

Figura 12. Motor en W 12

Figura 13. Refrigeración por aire 13

Figura 14. Circuito de refrigeración por agua 13

Figura 15. Radiador 14

Figura 16. Electro ventilador 15

Figura 17. Bomba de agua centrifuga 15

Figura 18. Esquema del termostato en funcionamiento 16

Figura 19. Funcionamiento tapa de radiador 18

Figura 20. Sensor de temperatura 18

Figura 21. Mangueras 19

Figura 22. Tapones de agua 19

Figura 23. Colador de bomba de aceite 20

Figura 24. Partes de la bomba de aceite 21

Figura 25. Válvula de presión 22

Figura 26. Filtro de aceite 23

Figura 27. Partes del Bloque Motor 24

Figura 28. Caracterización de falla por baja compresión en el motor 26

viii

Figura 30. Junta dañada por recalentamiento 28

Figura 31. Aplicación de tintas penetrantes 34

Figura 32. Inspección con partículas magnéticas 35

Figura 33. Cuerpo sumergido en un tanque 39

Figura 34. Esquema de diferencial de fuerza dentro del tanque 39

Figura 35. Deformación unitaria 41

Figura 36.. Momento de flexión 42

Figura 37. Proceso de construcción de la estructura principal 48

Figura 38. Proceso de construcción de la estructura secundaria 49

Figura 39. Proceso de construcción del tanque 50

Figura 40. Proceso de construcción del circuito neumático 50

Figura 41. Proceso de construcción del drenaje y llenado de agua 51

Figura 42. Proceso de instalación del circuito eléctrico. 52

Figura 43. Tipo de material 54

Figura 44. Diagrama de fuerza cortante y momento flector

de un perfil cuadrado de 40 mm. 56

Figura 45. Diagrama de fuerza cortante y momento flector

del travesaño de un perfil cuadrado de 40 mm. 58

Figura 46. Visualización de estructura principal en 3D 59

Figura 47. Resultado de tubo cuadrado de 40 mm x 2 mm L = 790 mm. 60

Figura 48. Resultado de tubo cuadrado de 40 mm x 2 mm L = 500 mm. 61

Figura 49. Deformación del material 62

Figura 50. Torre de sujeción del bloque-motor 63

Figura 51. Diagrama de Fuerza cortante y momento flector

de un perfil cuadrado de 50 mm x 2mm. 64

Figura 52. Deformación del material 65

Figura 53. Resultado del tubo cuadrado de 50mm x 2 mm 66

Figura 54.Diagrama de momentos de la torre en U

de 100 mmx 50 mmx 6mm. 67

Figura 55. Diagrama de la torre en U de 100 mmx 50 mmx 6mm. 68

Figura 56. Brazo corredizo 71

ix

Figura 58. Plancha de acrílico 76

Figura 59. Caucho vulcanizado 76

Figura 60. Figura de tecle 77

Figura 61. Tanque de vidrio 78

Figura 62. Electroválvula 80

Figura 63. Bomba de drenaje de agua 81

Figura 64. Manómetro de presión 83

Figura 65. Manguera de presión de aire 84

Figura 66. Manguera de aire en espiral 84

Figura 67. Acople rápidos 85

Figura 68. Equilibradores cuadrados de 1 1/2 pulg 86

Figura 69. Canaletas 86

Figura 70. Cable de cordón 87

Figura 71. Terminales de enchufe 87

Figura 72. Interruptor de doble accionamiento 88

Figura 73. Pulsadores 88

Figura 74. Esquema Eléctrico de final de carrera 89

Figura 75. Final de carrera 89

Figura 76. Luz piloto 90

Figura 77. Lámpara fluorescente 90

Figura 78. Sockets de 6 líneas 91

Figura 79. Circuito eléctrico del banco de pruebas 106

x

ÍNDICE DE ANEXOS

PÁGINA ANEXO 1

Norma de seguridad antes de utilizar el equipo 100

ANEXO 2

Instalación y operación del equipo 102

ANEXO 3

Diagrama eléctrico del equipo 106

ANEXO 4

Guía práctica 107

ANEXO 5

Planos del banco de pruebas por inmersión 110

ANEXO 6

xi

RESUMEN

La presente tesis se realizó gracias a la investigación de campo que se hizo para la construcción de un banco de pruebas por inmersión de un bloque-motor, ya que en el mercado automotriz existen pocos conocimientos de este tipo de bancos de prueba por el costo y la dificultad de hermetizar un bloque-motor. El banco de pruebas por inmersión se realizó con el objetivo de aprendizaje y enseñanza para los estudiantes de la Universidad tecnológica Equinoccial, ya que es un equipo realizado para la práctica de detección de fisura por inspección visual de un bloque-motor. Como los motores de combustión internar tiene esfuerzos tanto de ficción, compresión, expansión y torsión. A causa de estos esfuerzo producen que el bloque-motor o culata se fisure generando fallas en el motor, en su mayoría de veces imperceptibles a los técnicos, por la cual el banco de prueba permitirá verificar si el bloque-motor se encuentra fisurado o pandeado en su superficie. El principio del banco de pruebas por inmersión consta que aire pasa hacia un regulador de presión, el que permite regular la presión de aire, la presión de trabajo debe ser de 60 PSI, el agua ayudará por medio de inspección visual una vez hermetizado el bloque-motor a verificar si el bloque-motor esta fisurado, por medio de burbujeo en el bloque-motor. La especificaciones más relevantes en el banco de pruebas son; el tanque tiene una capacidad máxima de 130 lt, el tiempo de llenado del tanque es de 1275 s y el de salida es de 240 s, la presión máxima en las paredes de la lámina de vidrio tiene la capacidad para soportar el peso del agua y el bloque-motor, la presión es de 2450 N/m2_{. Los materiales que se encuentra}

xii

ABSTRACT

1

1. INTRODUCCIÓN

El motor Otto consta de varios componentes mecánicos se encuentra entre el cárter y la culata, por lo cual el bloque es la base de un motor de combustión interna. Son fabricados de diferentes materiales como son: el aluminio, acero o aleaciones especiales como los aceros hipereutécticos (mayor a 0,80% C, al enfriarse por debajo de la temperatura crítica se precipita el carburo de hierro resultando a temperatura ambiente cristales de perlita embebidos en una matriz de cementita). En el bloque-motor es donde circula los fluidos los cuales son; el aceite y el líquido refrigerante por sus ductos internos, que son los encargados de disipar el calor y lubricar el motor, además de alojar el mecanismo de biela manivela de un motor de combustión interna.

El principal problema es la localización de fisuras en el bloque-motor, las reconstructoras de motores utilizan el método no destructivo de inspección visual ya que estas fallas no se dan muy frecuentemente en el bloque-motor. En el país son pocas las empresas reconstructoras de motores que cuentan con estos tipos equipos de comprobación de bloque-motor para la localización de fisuras o agrietamiento. En un motor de combustión interna se pueden dar esta falla cuando sufre un daño severo, en el que siempre se da por sobre calentamiento y esto puede generar fallas de agrietamientos, lo ocasionara residuos de aceite en los ductos de refrigeración o en los ductos de lubricación.

2 Se va diseñar e implementar un banco de pruebas por inmersión y presión neumática para la localización de fisuras en un bloque-motor de cuatro cilindros.

Los objetivos específicos de esta investigación fueron:

 Investigar los tipos de ensayos no destructivos que existen en el medio.

 Definir y elegir el tipo de ensayo no destructivo según los parámetros requeridos para la identificación de la fisura de un bloque-motor.

 Diseñar y elaborar el banco de pruebas según las necesidades requeridas en la construcción.

 Comprobar y analizar la funcionabilidad del banco de pruebas de un bloque-motor.

3

2. MARCO TEÓRICO

2.1 HISTORIA DEL AUTOMÓVIL

La gran evolución que experimentó la industria se dio con la primera cadena de montaje y la producción en serie del modelo T, de Ford, lo que podría considerarse el verdadero comienzo de la industria automotriz. A partir de ahí se ha consolidado consiguiendo que el automóvil sea una máquina cada vez menos ruidosa, cada día menos contaminante, a cada nuevo modelo más seguro y más cómodo haciendo de los modelos actuales cada vez más eficientes y atractivos para el usuario.

Diversas crisis han pasado factura a los fabricantes de automóviles a lo largo de la historia. Las subidas en precios de combustible han hecho retroceder el desarrollo del automóvil en algunos casos las llamadas crisis de la industria automotriz (la última en 2008-2009) llevando a algunas marcas a suprimir la fabricación de ciertos modelos o incluso de divisiones enteras, perdiéndose miles de puestos de trabajo.

4 lo largo de la historia ha dado como resultado el MCI, cuyo principio no es más que el inventado hace más de 100 años.

Estos sistemas de producción tienen como primer referente a Henry Ford, que desarrollo la primera cadena de producción del ya mencionado modelo T. La evolución desde entonces se ha desarrollado a la par que las nuevas tecnologías, usando todas las formas de conseguir una mayor producción con un coste y una calidad controlados.

Uno de los mayores avances que han sufrido los sistemas de producción (y muy especialmente los de producción en serie) ha sido el desarrollo de la informática. Ésta ha hecho posible que el control de los procesos que incluyen a una línea de producción en serie sea exhaustivo, dando una capacidad de respuesta hasta entonces impensable. Este avance deriva en la automatización de los procesos repetitivos o que requieren gran precisión o esfuerzo físico. Incluyendo estas mejoras en la eficiencia de los procesos, se ha alcanzado el modelo que hoy día tenemos de un sistema de producción en serie (Ruiz, 2012).

2.2 MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA

Los motores térmicos son máquinas que tienen por objeto transformar energía calorífica en energía mecánica directamente utilizable. La energía calorífica puede provenir de diversas fuentes primarias: combustibles, energía eléctrica, energía atómica; pero en el estudio de los motores térmicos. Es obtenida de la combustión de combustibles líquidos, o más raramente, gaseosos (Giacosa Dante, 1979, p.3).

En el motor de combustión interna el poder calorífico que recibe del proceso de combustión lo transforma en trabajo, que es transmitido por la biela hacia el cigüeñal el que se encarga de transformar el movimiento lineal al movimiento rotativo, el cual se tramiten a los mecanismos de potencia que se encargan de llevar esta energía hacia los ejes de salida.

5

 Culata

 Bloque-motor

 Carter

2.2.1 CULATA

Es la pieza del motor que cierra el bloque de cilindros por la de cilindros por la parte superior y forma la pared fija de la cámara de combustión, en ella se coloca las válvulas, las bujías, los Inyectores, el eje de Levas dependiendo del Levas, dependiendo del tipo de motor, se puede apreciar las partes de la culata en la figura 1. La culata de cilindros está hecha de aleación de aluminio por su gran conductividad térmica (Godoy, 2013).

Figura 1. Estructura de la culata (Perez, 2013)

2.2.2 BLOQUE-MOTOR

6 Figura 2. Estructura del bloque-motor

(Perez, 2013)

2.2.3 CARTER

El cárter es la parte inferior del boque-motor donde se ubican los soportes de bancada que alojan el cigüeñal y los cojinetes del cigüeñal. En el cárter está depositado el aceite de lubricación, como se observa en la figura 3. Por el cual está diseñado con aletas en su parte externa para mejorar la refrigeración y mantener el aceite a una buena temperatura de trabajo entre 80°C y los 90°C de funcionamiento. Se construye de materiales ligeros pero con una buena conductividad térmica, son construidos de aleaciones de aluminio, además cuentan con pequeñas porciones de cobre y de zinc (Perez, 2013).

.

7

2.3 CLASIFICACIÓN DEL MOTOR

La elección del tipo de un bloque-motor está determinada por diferentes variables que son: par y potencia, geometría del motor, disposición de los cilindros, número de cilindros, sistema de refrigeración y por su sistema de distribución. La tendencia es buscar la menor relación peso-potencia.

Las cuales se clasifican de la siguiente manera:

2.3.1 POR NÚMERO DE CILINDROS

2.3.1.1 Motores mono cilíndricos

Un motor mono cilíndrico está constituido por tener un solo cilindro, pueden ser de dos o cuatro tiempos, como se aprecia en la figura 4. Con este tipo de motor se puede producir una cantidad relativamente baja de energía dado su tamaño, aunque el motor mono cilíndrico no es especialmente apto para la variación de la potencia de salida rápidamente. Por lo que son utilizados en motos, motores marítimos fuera de borda y en el área agrícola (Bueno Asensio, 2010).

Figura 4. Motor Mono-cilíndrico

(One Heart, 2015)

2.3.1.2 Motor poli cilíndrico

8 menor vibración, mayor rendimiento de peso-potencia y compensar los momentos de inercia al repartir las masas en movimiento (Bueno Asensio, 2010).

Los momentos de giro en el cigüeñal son más suaves y la velocidad de rotación más uniforme, ya que en cada ciclo de funcionamiento se producen tantos impulsos motrices como cilindros tiene el motor., como se observa en la figura 5.

Figura 5. Motor poli-cilíndrico (Acsa Automotriz cruz, 2016)

2.3.2 POR SU POSICIÓN

2.3.2.1 Motor delantero

El motor se sitúa en la parte delantera del vehículo fijándolo al bastidor, cuando se ubica sobre el eje delantero en un chasis cabinado y mediante soportes de motor. En los que se pueden apreciar son de un: motor transversal que normalmente es tracción delantera, su mayor parte del peso motor y transmisión se encuentra en el tren delantera.

9 transferencias de masas, es la mejor opción en la están de mejor manera repartidas las cargas en el vehículo, como se observa en la figura 6 (Bueno Asensio, 2010).

Figura 6. Motor delantero

(Bueno Asensio, 2010)

2.3.2.2 Motor central

La masa del motor está situada por delante del eje trasero. Los vehículos que montan un motor central, son vehículos biplaza, porque la masa queda repartida entre los dos ejes de forma equilibrada, como se aprecia en la figura 7 (Bueno Asensio, 2010).

10

2.3.2.3 Motor trasero

Se encuentran en la parte trasera de un vehículo, está montado sobre el bastidor por detrás del eje trasero. Este tipo de vehículo tendrá el peso en la parte posterior del vehículo, como se observa en la figura 8 (Bueno Asensio, 2010).

Figura 8. Motor Trasero

(Bueno Asensio, 2010)

2.3.3 POR SU GEOMETRÍA

Se analizan las diferentes posibilidades de motores de varios cilindros y su disposición.

2.3.3.1 Motor en línea

11

Figura 9. Motor en línea

(Wolkswagen, Programa Autodidáctico 248, 2012)

2.3.3.2 Motor en V

Se puede considerar un motor en V como dos motores en línea atacan a un solo cigüeñal, con un ángulo entre ambos bancos de cilindros llamadoángulo de bancada, que depende de varios factores como el número de cilindros, cilindrada y carrera del pistón. Las más comunes son 90° y en bloques más anchos de 120º o 60º, como se observa en la figura 10 (Wolkswagen, 2012).

Figura 10. Motor en V

(Wolkswagen, Programa Autodidáctico 248, 2012)

2.3.3.3 Cilindros V-R

12

Figura 11. Motor en V-R

(Wolkswagen, Programa Autodidáctico 248, 2012)

2.3.3.4 Cilindros en W

Se combinan respectivamente dos filas V-R en un solo motor. Los cilindros de una fila guardan un ángulo de 15° entre sí, mientras que las dos filas V-R se encuentran en una disposición en V, en un ángulo de 72°, como se observa en la figura 12. Logrando reducción de espacio con capacidad de abarcar varios cilindros y logrando así una mayor potencia en el motor (Wolkswagen, 2012).

Figura 12. Motor en W

(Wolkswagen, Programa Autodidáctico 248, 2012)

2.3.4 TIPO DE REFRIGERACIÓN

2.3.4.1 Refrigeración por aire

13 el caso de ventiladores el aire puede ser regulado dependiendo el número de revoluciones en función de las cargas y la temperatura, como se presenta en la figura 13 (Bosch, 2005).

Figura 13. Refrigeración por aire

(Geocities, 2011)

2.3.4.2 Refrigeración por agua.

El sistema de refrigeración por agua es el medio que se emplea para la disipación del calor, el cual circula refrigerante entre los cilindros llamado cámara de agua, recoge el calor y lo lleva hasta el radiador, disipándolo para cumplir un nuevo ciclo. Estos suelen ser de tipo cerrado con circulación forzada del líquido refrigerante por medio de una bomba centrifuga, como se puede observar en la figura 14 (Lada, 2015).

Figura 14. Circuito de refrigeración por agua

14

2.4SISTEMAS DEL MOTOR

2.4.1 SISTEMA DE REFRIGERACIÓN

2.4.1.1 Radiador

El radiador está diseñado para permitir una rápida disipación del calor y un buen flujo de aire a través del núcleo del radiador. El radiador se encarga de enfriar el líquido refrigerante lo suficiente para evitar su ebullición. Los factores que influyen para disipar el calor son: la diferencia de temperatura entre el líquido refrigerante y el aire del ambiente, la superficie frontal del radiador y la permeabilidad del radiador al líquido.

Los tubos y las aletas irradian calor del líquido refrigerante caliente y el flujo de aire creado por el ventilador o por el aire impulsor, disipa el calor hacia la atmósfera, como se observa en la figura 15 (Jesus, 2010).

Figura 15. Radiador

(Eurotaller, 2015)

2.4.1.2 Ventilador

15 puede ser mecánico que es movido por la misma correa de la bomba de agua o por acción de un motor eléctrico que funcionará eventualmente, solo cuando el motor alcance su temperatura máxima de trabajo, el cual es controlada por un sensor de temperatura, comúnmente conocido como

trompo, como indica la figura 16 (Jesus, 2010, pág. 103).

Figura 16. Electro ventilador

(Motor Luis, 2015)

2.4.1.3 Bomba de agua

La bomba de agua es normalmente accionada por una correa que viene de una polea del cigüeñal. La capacidad de la bomba de agua debe ser suficiente para proporcionar la adecuada circulación del líquido refrigerante que depende de la velocidad de giro del motor. Los tipos de bombas más empleados son de tipo vena y centrífugas, se indica las partes de la bomba de agua en la figura 17 (ALMONACID, 2007, págs. 108,109).

Figura 17. Bomba de agua centrifuga

16

2.4.1.4 Termostato

El termostato permite que el motor alcance su temperatura de trabajo rápidamente, además de mantener la temperatura del mismo dentro del rango ideal para su óptimo funcionamiento.

Es necesario que el motor se llegue a su temperatura de funcionamiento, para lograr una buena combustión, evitar el consumo de combustible y ayuda a reducir la emisiones de gases (Jesus, 2010, págs. 105,106).

Funcionamiento

El termostato permanece cerrado hasta que el motor alcanza una temperatura de operación que oscila entre 70°C a 90 °C. A medida que la temperatura sube el termostato se abre permitiendo que él líquido refrigerante circule a través del radiador, cuando la temperatura del líquido es más baja de la temperatura de operación el termostato se cierra impidiendo la circulación del líquido refrigerante hacia los cilindros, como se indica los accionamientos en la figura 18. El desviador proporciona un conducto para que el líquido refrigerante se devuelva a la bomba (Jesus, 2010, págs. 105,106).

Figura 18. Esquema del termostato en funcionamiento

17

2.4.1.5 Tapa radiador

Los sistemas de refrigeración son del tipo presurizado, pues la tapa del radiador está diseñada para soportar una presión mayor a la atmosférica, además de permitir que el agua pase del radiador hacia el reservorio y viceversa cuando la presión excede de lo normal, gracias al accionamiento de la tapa del radiador el motor puede alcanzar rápidamente la temperatura deseada para obtener un mejor rendimiento de combustible (Universidad Don Bosco, 2012).

Funcionamiento

Contienen dos válvulas las cuales son de alivio (depresión) limita la presión en el sistema, cuando la presión es elevada la manda al reservorio y otra de ventilación de vacío (presión) permite la presurización del sistema de enfriamiento.

18

Figura 19. Funcionamiento tapa de radiador

(Club Fiat 800 Spider, 2013)

2.4.1.6 Sensor de temperatura

Es una resistencia que cambia con respecto a la temperatura del líquido refrigerante, además de informar la temperatura de funcionamiento del motor en el tablero puede ser una luz de testigo o marcar la temperatura en grados, tiene una estructura de cerámica muy sensible que permite captar la temperatura del motor rápidamente, es sensor de temperatura es necesario para evitar posibles daños en el motor de combustión interna, permitiendo saber cuándo la temperatura aumenta, como indica sus partes en la figura 20.

Figura 20. Sensor de temperatura

19

2.4.1.7 Mangueras

Son las encargadas de llevar el líquido refrigerante del motor hacia el radiador a través de una serie de ductos y tubos flexibles llamadas mangueras. Fuertes y al mismo tiempo flexibles que puedan tolerar la vibración del motor, el calor y la presión, como se indica en la figura 21 (Jesus, 2010, pág. 108).

Figura 21. Mangueras

(Universo del Caucho, 2016)

2.4.1.8 Tapones de agua

Son unas tapas cilíndricas que van a presión en la parte lateral del motor y tienen por finalidad permitir la construcción y limpieza de las cámaras y conductos de agua, como se observa en la figura 22 (Izusu, 2002).

20 En caso de temperaturas muy bajas permiten la libre expansión del hielo, protegiendo al motor de posibles fisuras. Existen 2 tipos.

a) Latón b) Bronce

2.4.2 SISTEMA DE LUBRICACIÓN

2.4.2.1 Colador de la bomba de aceite

Permite la recolección del aceite que se encuentra en el Carter, además consta de una rejilla que le permite filtrar las partículas de hollín y partículas metálicas que pueden ocasionar obstrucción en el circuito de lubricación como se indica en la figura 23. El diámetro mayor del succionador va dirigido hacia el cárter y el diámetro menor se encuentra conectado con la bomba de aceite.

Figura 23. Colador de bomba de aceite

2.4.2.2 Bombas de aceite

21

Figura 24. Partes de la bomba de aceite

(Diamon Power, 2014)

 Bomba de engranajes: Está formada por dos engranajes situados en el interior de la misma, toma movimiento una de ellas del árbol de levas y la otra gira impulsada por la otra. Lleva una tubería de entrada proveniente del cárter y una salida a presión dirigida al filtro de aceite.

 Bomba de lóbulos: También es un sistema de engranajes pero interno. Un piñón (rotor) con dientes, el cual recibe movimiento del árbol de levas, arrastra un anillo (rodete) de cinco dientes entrantes que gira en el mismo sentido que el piñón en el interior del cuerpo de la bomba, aspira el aceite, lo comprime y lo envía a una gran presión.

22

2.4.2.3 Válvula de seguridad de presión

La válvula de presión se localiza dentro de la bomba o fuera de esta. La mayoría utiliza un pistón o bola, provistos de un resorte.

Cuando la presión de aceite llega a la presión establecida, forzará a la válvula contra el resorte calibrado, debido a que esta controla la presión máxima. Cualquier cambio en la tensión del resorte de la válvula de seguridad, modificara la presión del aceite. La válvula de seguridad permite eliminar la sobre presión en el circuito de lubricación cuando la presión supera el resorte de la válvula, lo que permite una mayor seguridad de que la presión exceda de lo normal en el circuito de lubricación estos caso se da cuando los regímenes de revoluciones son demasiadas altas, como se observa su funcionamiento en la figura 25 (Suarez, Pelichero, & Mediana, 02).

Figura 25. Válvula de presión

(Holden, 2015)

2.4.2.4 Filtro de aceite

23

Figura 26. Filtro de aceite

(Fierros Clásicos, 2013)

2.5 EL BLOQUE- MOTOR

2.5.1 FUNCIÓN DE BLOQUE-MOTOR

La función del bloque-motor es alojar el mecanismo de biela-manivela que está constituido por el cigüeñal, la biela y el pistón. También su función es de disipar el calor del proceso de combustión, por el cual circula líquido refrigerante por sus conductos formados en el molde del bloque-motor, además de los ductos de lubricación. En el caso del motor OHV aloja el árbol de levas y sus balancines en el bloque-motor (Payri & Dasantes , 2014).

2.5.2 CONSTRUCCIÓN

24 El bloque está diseñado de tal manera que su masa sea la menor posible, para reducir el peso, además de tener una mayor disipación de energía térmica y bajar la relación peso-potencia.

La construcción del bloque- motor se puede realizar de diferentes tipos de fundición los cuales son: fundición en arena, fundición en espuma perdida y fundición en moldes permanente (Payri & Dasantes , 2014)

El bloque-motor también son construidos con proceso de embutido, el cual consiste en colocar el material en un una cavidad de acuerdo a la forma que se le quiera dar, con una prensa a alta presión se procede a generar presión hasta que el material cede y adquiera la forma del molde, estos proceso son de gran precisión, además son de mayor resistencia ya que no son sometidos a fundición.

2.5.3 PARTES DE BLOQUE-MOTOR

El bloque-motor, como se observa en la figura 27, consta de las siguientes partes:

 Bloque: Es la parte estructural donde se alojan los cilindros.

 Cilindros: Es la parte donde el pistón tiene el movimiento alternativo del PMS y PMI, estos pueden ser integrales o desmontables en un solo cuerpo con el bloque-motor.

 Bancada: Es la zona donde se aloja el cigüeñal (Payri & Dasantes , 2014).

25

2.6 FALLAS DEL BLOQUE-MOTOR

2.6.1 SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN Y LUBRICACIÓN

Un motor de combustión interna puede sufrir daños excesivos si un sistema de lubricación o de refrigeración no funciona en óptimas condiciones.

Los motores están diseñados de tal manera que soporten altas temperaturas del proceso de la combustión, además sufren esfuerzo de flexión, torsión y fricción. Por lo que es indispensable tener refrigeración y lubricación en un motor de combustión interna (EGON VON RUVILLE GMBH, 2009).

2.6.2 DAÑOS DE FISURA EN EL BLOQUE-MOTOR

Un bloque-motor con fisura o agrietamiento pueden generar problemas graves en el rendimiento de un motor de combustión interna.

El bloque-motor es el responsable de proteger y envolver los principales elementos de un motor para su buen rendimiento en su funcionamiento. Un bloque-motor está hecho para soportar las revoluciones del cigüeñal y el proceso de combustión, sin embargo estos esfuerzos generan desgates prematuros y desarrollando grietas en bloque-motor.

2.6.2.1 Daño por aceite en el anticongelante

26

2.6.2.2 Daño por anticongelante en el aceite

El anticongelante se puede mezclar con la circulación de aceite en el motor. Este ocurre cuando un bloque-motor tiene una fisura profunda o severa esto permite que el anticongelante entre en los ductos de lubricación, el aceite se contamine con el anticongelante, este produce un olor extraño y humo visible que emana del tubo de escape, además se puede observar visualmente en la varilla del motor durante una inspección visual, como se observa en la figura 28 (Izusu, 2002).

Figura 28. Caracterización de falla por baja compresión en el motor

(Widman, 2015)

Un bloque-motor agrietado puede resultar en compresión baja del motor si la grieta es grave y esta avería puede causar una perforación en uno de los cilindros del motor. En este punto la compresión es baja y su rendimiento.

2.6.2.3 Daño por causas de humo en el escape

27 de un motor está normalmente causado por un bloque-motor con junta soplada o agrietamiento. Una grieta se puede presentar normalmente como un humo de color azulado y humo de color gris, fluya directamente hacia fuera de la parte agrietada del bloque-motor. Este tipo de bloque-motor que se observen este tipo de fracturas suelen crear graves problemas de rendimiento del motor, además de humo visible, como se observa en la figura 29 (Izusu, 2002).

Figura 29. Inspección visual de falla en el motor

(Autocosmo, 2010)

2.6.2.4 Daño por sobrecalentamiento del motor

28 causar el recalentamiento del motor, como se observa en la figura 30 (Izusu, 2002).

Figura 30. Junta dañada por recalentamiento

2.6.3 FALLAS O FUGAS DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN

La falta de refrigerante se puede dar por diferentes razones ya puede ser por fuga o por consumo del mismo motor. Cuando el motor tiene una fuga este puede ocasionarse ser por diferentes componentes del motor, la mayor parte se da por el trabajo constante (Izusu, 2002).

2.6.3.1 Fuga de refrigerante por bomba

Las bombas de agua tiene el problema que cuando fallan tienden a eliminar líquido refrigerante por el desfogue de la bomba, esto se da por que los empaques seden del uso. También pueden romperse las aspas de la bomba y no permitirá que el refrigerante circule en el sistema y tienda a recalentarse el motor (EGON VON RUVILLE GMBH, 2009).

2.6.3.2 Fuga de refrigerante por manguera o tapones

29 derramaría instantánea mente y provocaría un recalentamiento, los tapones son hechos de hierro y la mayoría de personas no utilizan un refrigerante adecuado, esto puede causar que el tapón se oxide y deteriore, con el tiempo se crea caliches permitiendo la fuga de refrigerante y puede causar daños en el motor como recalentamiento o aumento de presión en el sistema de refrigeración por falta de agua (EGON VON RUVILLE GMBH, 2009).

2.6.3.3 Falla en el termostato

El termostato presenta solo dos fallas, se da por la suciedad el sistema. Se puede quedar permanentemente cerrado, lo que impide el paso del refrigerante hacia el radiador, lo cual causa que el motor se caliente rápidamente. La segunda falla es que el termostato se quede permanente abierto, con lo que el motor demora mucho en tomar temperatura (Izusu, 2002).

2.6.3.4 Falla por el electro ventilador

El ventilador o electro ventilador puede ser causa de un recalentamiento prematuro del motor cuando deja de funcionar. La función del electro ventilador es hacer pasar aire por los paneles del radiador para una rápida disipación del calor, además de mantener la temperatura adecuada del motor. En el caso de no accionarse producirá un aumento de temperatura y el motor se recalentará, se puede dar esta falla por malos contactos en el socket o falla de un fusible (Izusu, 2002).

2.6.3.5 Falla de la tapa del radiador

30 depresión se queda pegada por la suciedad y produce que el refrigerante no valla hacia el reservorio o viceversa (Izusu, 2002).

2.6.4 DAÑO POR MONTAJE

2.6.4.1 Anomalía en la junta

Una de las causas principales de un fisura miento en el bloque es un mal estado de la junta o mala aplicación de la misma, en algunos vehículos la junta son similares pero la diferencia consta en los ductos de lubricación y el ancho del cilindro, estos casos puede ocasionar que la falta de lubricación hacia la parte superior provoque un mal funcionamiento al motor o genere daños irreversible. Otra causo podría ser un defecto de fábrica de la junta, que podría generarse por un espesor menor a la restablecida por el fabricante del motor esto generara anomalías en el funcionamiento en el motor (Izusu, 2002).

2.6.4.2 Anomalía en apriete de pernos

Para un buen apriete en los pernos se debe observar en la tabla de torque que cada fabricante tiene para cada vehículo, el buen apriete de los pernos influyen en el funcionamiento de un motor de combustión interna. Se muestra en tabla 1 los valores de torque para el apriete de los pernos.

Tabla 1. Identificación de pernos

Grado de Dureza

SAE 2 SAE 5 SAE 7 SAE 8

Marcas Sin Marcas 3 líneas 5 líneas 6 líneas

Material Acero al

carbono Acero al carbono Acero al carbono templado

Acero al carbono templado

Tensión

Mínima

74 libras por pulgada

120 libras por pulgada

133 libras por pulgada

150 libras por pulgada

31 El apriete de los pernos se da de acuerdo al diámetro del perno, también se puede verificar según el tipo de material del perno en los que son de hierro y acero, además el apriete del perno se da según el tipo de grado de perno, se puede realizar el apriete según si este tiene lubricación o no. Se muestran los valores de apriete para cada tipo de perno según su diámetro en la tabla 2 y la variación que puede presentar el apriete según la lubricación que tenga el perno, en la tabla 3.

Tabla 2. Apriete de pernos (lb-pie)

Grado 2 2 5 5 7 7 8 8

Diámetro Pulgadas

Hilos por pulgada

SECO con

Aceite SECO con

Aceite SECO con

Aceite SECO con Aceite

¼ 20 4 3 8 6 10 8 12 9

¼ 28 6 4 10 7 12 9 14 10

5/16 18 9 7 17 13 21 16 25 18

5/16 24 12 9 19 14 24 18 29 20

3/8 16 16 12 30 23 40 30 45 35

3/8 24 22 16 35 25 45 35 50 40

7/16 14 24 17 50 35 60 45 70 55

7/16 20 34 26 55 40 70 50 80 60

½ 13 38 31 75 55 95 70 110 80

½ 20 52 42 90 65 100 80 120 90

9/16 12 52 42 110 80 135 100 150 110

9/16 18 71 57 120 90 150 110 170 130

5/8 11 98 78 150 110 140 140 220 170

5/8 18 115 93 180 130 210 160 240 180

¾ 10 157 121 260 200 320 240 380 280

¾ 16 180 133 300 220 360 280 420 320

7/8 9 210 160 430 320 520 400 600 460

7/8 14 230 177 470 360 580 440 660 500

1 8 320 240 640 480 800 600 900 680

1 12 350 265 710 530 860 666 990 740

32

Tabla 3. Variaciones de torque

Tipo de Perno Variación del Torque

Corriente Lubricado con Aceite Reducir 15 a 25%

Corriente con Teflón o Grasa Reducir 50%

Cromado Lubricado Sin Cambio

Plateado Cadmio Lubricado Reducir 25%

Plateado Zinc Lubricado Reducir 15%

(Todos motores Chile, 2004)

2.7 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

Los ensayos no destructivos nos permiten evaluar, verificar y analizar los materiales que pueden sufrir diferentes tipos de esfuerzos en sus funciones ya sean de torsión, flexión, compresión y por temperatura que puede sufrir daños a los procesos que son sometidos, para reducir falla en el material se procede a una inspección y realización de ensayos, para eliminar riesgos de fractura o ruptura del material (Estudiantes Metalografía, 2010).

Tenemos diferentes tipos de ensayos no destructivos los cuales son:

 Superficiales

 Volumétricas

 Hermeticidad

2.7.1 ENSAYO NO DESTRUCTIVO SUPERFICIAL

2.7.1.1 Inspección visual

33 La inspección visual es el primer paso de cualquier evaluación. En general, las Pruebas no Destructivas establecen como requisito previo realizar una inspección visual (estudiantesmetalografia, 2010).

La inspección visual es utilizada para determinar:

 Cantidad  Tamaño

 Forma o configuración  Acabado superficial  Reflectividad (reflexión)  Características de color  Características funcionales

 La presencia de discontinuidades superficiales (Estudiantes Metalografía, 2010).

2.7.2 ENSAYO NO DESTRUCTIVO VOLUMÉTRICO

2.7.2.1 Tintas penetrantes

Este ensayo se presta para detectar discontinuidades superficiales y que estén abiertas a la superficie, tales como grietas, fisuras, poros, etc., pudiendo aplicarse en todos los materiales sólidos y que no sean porosos o con superficie muy rugosa. Es muy utilizado en materiales no magnéticos como el aluminio, magnesio, aceros inoxidables, ligas de titanio y zirconio, además de los materiales magnéticos. También es aplicado en cerámicas vitrificadas, vidrio y plásticos.

34 .

Figura 31. Aplicación de tintas penetrantes

(Lopez, 2015)

Ventajas de los líquidos penetrantes:

La inspección por Líquidos penetrantes es extremadamente sensible a las discontinuidades abiertas a la superficie.

 La configuración de las piezas a inspeccionar no representa un problema para la inspección.

 Son relativamente fáciles de emplear.

 Brindan muy buena sensibilidad.

 Son económicos.

 Son razonablemente rápidos en cuando a la aplicación, además de que el equipo puede ser portátil.

 Se requiere de pocas horas de capacitación de los Inspectores.

2.7.2.2 Ensayo no destructivo por magnetismo

35 selecciona usualmente cuando se requiere una inspección más rápida que con los líquidos penetrantes.

El principio del método es la formación de distorsiones del campo magnético o de los polos cuando se genera o se induce éste en un material ferro magnético; es decir, cuando la pieza presenta una zona en la que existen discontinuidades perpendiculares a las líneas del campo magnético, este se deforma o produce polo.

Las distorsiones o polos atraen a las partículas magnéticas, que fueron aplicados en forma de polvo o suspensión en la superficie sujeta a inspección y que por acumulación producen las indicaciones que se observan visualmente de manera directa o bajo luz ultravioleta, es una de las inspecciones más seguras que se puede realizar ya que permite detectar fisuras muy diminutas y son utilizados en los procesos de soldadura que se necesitan un margen de error muy pequeño, como son en los procesos de soldadura de oleoductos en el campo petrolero, como se observa en la figura 32 (Estudiantes Metalografía, 2010).

Figura 32. Inspección con partículas magnéticas

(Inacap, 2011)

Ventajas de las partículas magnéticas

36

 Requiere de un menor grado de limpieza

 Mayor seguridad en el proceso de prueba

 Generalmente es un método más rápido y económico

 Puede revelar discontinuidades que no afloran a la superficie

 Tiene una mayor cantidad de alternativa(ALMONACID, 2007).

2.7.3 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS POR HERMETICIDAD

Estos ensayos no destructivos por hermeticidad consisten en contener una presión en el material, el cual permite fuga por el material, ya sea por neumática, hidrostática o burbujeo, permite la detección de la fisura sin alterar el material, como constan los siguientes ensayos no destructivos por hermeticidad:

2.7.3.1 Prueba por cambio de presión hidrostática

Esta prueba se realiza con el fin de verificar la hermeticidad de los accesorios brindados y la soldadura, utilizando como elemento principal el agua o en su defecto un fluido no corrosivo, o el aire comprimido.

Se verifica la integridad física de una tubería o sistema en donde el agua es bombeada a una presión más alta que la presión de operación y se mantiene a esa presión por un tiempo establecido previamente el cual varía según la longitud del tramo a probar. La prueba hidrostática también aplica cuando se reemplaza o se reparan líneas existentes, nos permite:

 Determinar la calidad de la ejecución del trabajo de fabricación o reparación de la línea o equipo.

 Comprobar las condiciones de operación para garantizar la seguridad tanto de las personas como de las instalaciones.

 Detectar fugas.

 Verificar la resistencia mecánica.

37

2.7.3.2 Prueba por cambio de presión neumática

La prueba neumática es un procedimiento que utiliza la presión del aire para testear las tuberías de fuga. Este método no solo sirve para identificar fugas, sino también para limpiar y secar el sistema de tuberías, permitiendo que la tubería quede lista al final del testeo. La prueba neumática se utiliza cuando otros métodos no son factibles; por ejemplo en caso de congelamiento el testeo con agua se ve imposibilitado (Estudiantes Metalografía, 2010).

2.7.3.3 Pruebas de burbuja

En esta prueba se utiliza la presurización del elemento a evaluar con aire que al sumergirse en un líquido, para ver donde salgan burbujas de aire e indicar el lugar de la fuga. Si esto no es posible, entonces la presurización de aire será realizada, cubriendo la zona de prueba con una solución de jabón, y de esta forma ver si se forman burbujas, lo que indicará la fuga (Estudiantes Metalografía, 2010).

2.8 FUNDAMENTOS APLICADOS AL DISEÑO DEL BANCO DE

PRUEBAS

2.8.1 FUNDAMENTOS DE PRESIÓN

2.8.1.1 Presión

La presión es la magnitud escalar que relaciona la fuerza con la superficie sobre la cual actúa.

𝑃 =𝐹_𝐴 [2.1] Dónde:

P: Presión F: Fuerza.

38

2.8.1.2 Presión hidrostática

Todo fluido que pesa ejerce presión sobre las paredes, el fondo del recipiente que lo contiene y sobre la superficie de cualquier objeto sumergido en él. Esta presión, llamada presión hidrostática, provoca, en fluidos en reposo, una fuerza perpendicular a las paredes del recipiente o a la superficie del objeto sumergido sin importar la orientación que adopten las caras. Esta presión depende de la densidad del líquido en cuestión y de la altura del líquido con referencia del punto del que se mida.

Se calcula mediante la siguiente expresión:

𝑃 = 𝜌𝑔ℎ + 𝑃𝑜 [2.2]

Dónde:

𝑃

: Es la presión hidrostática

𝜑:

Es la densidad del líquido

g:

Es la aceleración de la gravedad (m/s2₎

h

: es la altura del fluido (en metros). Un líquido en equilibrio ejerce fuerzas perpendiculares sobre cualquier superficie sumergida en su interior

Po

: es la Presión atmosférica (en pascales)

2.8.1.3 Principio de Arquímedes

El principio de Arquímedes dice que cuando un cuerpo se encuentra sumergido total o parcialmente en reposo, el líquido que lo contenga tiende a generar presión sobre el objeto.

39

Figura 33. Cuerpo sumergido en un tanque

2.8.1.4 Fuerza que ejercen dentro de un tanque

Podemos decir que las fuerzas que se generan dentro de un tanque se dan por el principio de Arquímedes, se procede a calcular el diferencial de fuerza de acuerdo la figura 34. Que se da por la presión en un área determinada el posemos decir que la fuerza ejercida por cada una de las caras da como resultado la siguiente ecuación:

𝑑𝑓 = 𝜌 ∗ 𝑔 ∗ ℎ′∗ 𝑑𝐴 [2.3] Dónde:

df: Diferencial de fuerza

ρ: Densidad

𝑔: Gravedad

ℎ′_{: Altura de referencia}

dA: Diferencial de área

Figura 34. Esquema de diferencial de fuerza dentro del tanque

2.8.1.5 Presión sobre la profundidad de un tanque

40 misma superficie horizontal. Todas las partículas de la superficie libre de un recipiente abierto soportan la misma presión atmosférica.

2.8.1.6 Prueba de estanqueidad

Esta prueba permite observar por medio de manómetros si existen fugas o no de un circuito cerrado, en el caso que hubiera fugas existiera una caída de presión dentro del sistema.

2.9 RESISTENCIA DE MATERIALES

2.9.1 DIFERENCIA ENTRE MASA Y FUERZA

“La masa es la cantidad de sustancia que tiene un cuerpo y la fuerza es un

efecto de empuje o tirón ejercida por un cuerpo, por una fuerza externa o por

la gravedad” (Mott, 2009, pág. 16).

m = 𝐹

𝑎 [2.4]

Dónde: F: Fuerza m: masa a: aceleración

2.9.2 ANÁLISIS DE ESFUERZOS

2.9.1.1 Esfuerzo

41 En el caso del esfuerzo se representa por un escalar designado por la letra griega σ (sigma) y viene dada por:

σ=𝐹

𝐴

[2.5]

Dónde: σ: Esfuerzo F: Fuerza

A: Área de la sección

Su unidad es el Pascal (Pa).

2.9.1.2 Deformación

“La deformación o también llamada deformación unitaria, la cual se

encuentra dividida la deformación total entre la longitud original de la barra,

se podría decir que la deformación unitaria no consta con dimensiones

debido que las unidades del numerador y denominador se anulan. Se utiliza

la letra griega minúscula ϵ (epsilon)” (Mott, 2009, pág. 24).

Alargamiento unitario: Se define Alargamiento unitario (ϵ) como la cantidad

que alarga un cuerpo (σ) por unidad de longitud (L) (ecuación 2.6), como en la figura 35.

ϵ = 𝜎_𝐿 [2.6] Dónde:

ϵ: Alargamiento unitario o deformación unitaria σ: Variación de longitud ∆𝐿

L: Longitud inicial.

Figura 35. Deformación unitaria

42

2.9.1.3 Esfuerzo cortante

“La fuerza cortante son fuerzas internas generadas en el material de una

viga para equilibrar las fuerzas externas aplicadas y garantizar el equilibrio

de todas sus parte. La fuerza cortante aplicada es la resistida uniformemente

por el área de la parte que se está cortando y se produce un nivel uniforme

de fuerza a través del área” (Mott, 2009, pág. 24).

El esfuerzo de corte está dado por 𝜏 la letra griega minúscula tau. El esfuerzo cortante es el resultado de la aplicación de tensiones paralelas a la sección transversal (ecuación 2.7).

𝜏 =

𝐹

𝐴_𝑠 [2.7]

Dónde:

𝜏: Esfuerzo de corte F: Fuerza cortante

As: Área de la sección transversal

2.9.1.4 Momento de flexión

“Los momentos flexionantes son momentos internos que se generan en el

material de una viga para equilibrar la tendencia de las fuerzas externas que

gire a cualquier parte de ella.” (Mott, 2009, pág. 206). Ver figura 36.

Figura 36.. Momento de flexión

43

3. METODOLOGÍA

En el campo automotriz son pocas las constructoras de motores que cuentan con banco de pruebas para la detección de fisuras en bloque-motor y culata. La investigación del proyecto se ha dado por la necesidad de implementar un banco de pruebas que permitió la localización de fugas en un bloque-motor, se creó y diseñó un equipo para la verificación de errores en el bloque-motor para poder localizar anomalías en un bloque-motor de motores de cuatro cilindros. Se investigó los tipos de ensayos no destructivos, para la investigación se recurrieron a libros, tesis, internet e investigaciones científicas.

Una vez realizado el campo de investigación, se procedió al diseño del banco de detección de fisuras de un bloque-motor de 4 cilindros, para el diseño del banco de pruebas se utilizó un programa de diseño llamado CYPE 3D, el que permitió realizar el diseño en 3D, se calculó la estructura en base a los esfuerzos, fatiga y las limitaciones geométricas del banco de pruebas, se obtuvieron datos del tipo de uniones en los nudos y tipo de soldadura. El programa permitió la selección del material estructural y ayudó a la rentabilización del flujo de diseño para la creación del prototipo, permitiendo la reducción de los costos y tiempo en la fabricación del banco de pruebas.

Una vez calculado los diferentes esfuerzos en su diseño, se procedió a la construcción del banco de pruebas para la detección de fisuras de un bloque-motor, en el cual se presentaron los elementos del diseño. La construcción se dio en un taller industrial mecánico en la ciudad de Santo Domingo de los Colorados.

44 Se utilizaran las formulas correspondientes para el cálculo de los esfuerzos de los materiales a utilizar, el cual se muestra las ecuaciones del momento de flector, las fuerzas cortantes y los esfuerzos que son sometidos los materiales, como resultado de estas expresiones nos dará como resultado el factor de seguridad del banco de pruebas por inmersión.

Las cuales se presentan las siguientes formulas:

𝑊 = 𝑤 𝑥 𝑙 [3.1]

Dónde:

W: Fuerza cortante w: Fuerza distribuida l: Longitud de la sección

𝑅 = V =𝑊₂ [3.2]

Dónde:

w: Fuerza distribuida

R: reacciones en los apoyos V: Fuerza cortante

𝑀 =𝑤 𝑥 𝑙₈ 2 [3.3] Dónde:

w: Fuerza distribuida l: Longitud de la sección M: momento flector

𝜎 = 𝑀𝑑_𝐼 [3.4] Dónde:

M: momento flector

45 fs: factor de seguridad

σ: Esfuerzo de flexión

I: Momento de inercia de la sección

𝑓𝑠 =𝑆𝑦 _𝜎 [3.5] Dónde:

Sy: resistencia a la fluencia del acero. fs: factor de seguridad

σ: Esfuerzo de flexión

𝑅 = 𝑤 𝑙 [3.6] Dónde:

w: Fuerza distribuida l: Longitud de la sección R: reacciones en los apoyos

𝑀 =𝑤 𝑙₂ [3.7] Dónde:

w: Fuerza distribuida l: Longitud de la sección M: momento flector

𝑀 = 𝐹𝑦 𝑥 [3.8]

Dónde:

M: momento flector

Fy: Fuerza generada en el eje y x: Longitud del eje x

46

𝐹𝑦, 𝑅𝑑 =0.6 𝑓 𝑢𝑏 𝑥 𝐴𝑠_{𝑌 𝑀𝑏} [3.9]

𝐹𝑦, 𝑅𝑑 =0.5 𝑓 𝑢𝑏 𝑥 𝐴𝑠_{𝑌 𝑀𝑏} [3.10]

Dónde:

As es el área resistente a tracción del perno. fub es la tensión última a tracción del tornillo γMb es el coeficiente parcial de seguridad

Para la obtención del factor de seguridad de los pernos se partió de la siguiente fórmula:

𝐹_𝑡𝑅𝑑 = 0.9 𝑓 𝑢𝑏 𝑥 𝐴𝑠_{𝑌 𝑀𝑏} [3.11]

Dónde:

As: Es el área resistente a tracción del tornillo fub : Es la tensión última a tracción del tornillo γMb: Es el coeficiente de seguridad.

La ecuación resultante del caudal para la obtención del tiempo de vaciado, se obtuvieron de la expresión que se relaciona el tiempo con el volumen. Esta ecuación permitió calcular el tiempo de vaciado y llenado del tanque, el cual se obtiene una expresión que relaciona el caudal con el volumen del tanque, de donde se despejó y se obtuvo el tiempo requerido:

𝑄 =𝑉_𝑡 [3.12] Dónde:

47 Para la construcción del banco de pruebas por inmersión para la verificación de fisuras de un bloque-motor, se elaboró de acuerdo al diseño para la optimización de precios y tiempo, el banco de pruebas consta de los siguientes materiales de cada uno de los elementos que conforman el banco de pruebas, los materiales utilizado para la implementación son: acero con bajo porcentaje de carbono, acrílico, material plástico y vidrio.

El acero se utilizó para la realización de toda la parte estructural del banco de pruebas por inmersión, y para la unión del material ferroso se utilizó un electrodo E6011 el cual lleva un revestimiento adecuado para la unión del material ferroso, según las normas ASME y AWS, el electrodo E 6011 tiene buenas características tales como: conductividad, elasticidad, resistencia y solidificación rápida ayudando a obtener una buena resistencia con un acabado ideal por la poca formación de escoria.

El acrílico permitió la hermeticidad en la parte superior del bloque-motor donde se aloja la culata, este material cuanta con las siguientes características que son: facilidad de maquinado y pulido, excelente capacidad de termo formado, buena resistencia mecánica y buen acabado de alto brillo o textura.

Los materiales plásticos permitieron la conducción del aire comprimido hacia el bloque-motor, además cuenta con tapas para las partes abiertas y visibles de los perfiles que permitirán cubrirlas.