Construcción de una maqueta de un motor monocilíndrico para demostración de la cinemática del motor en el mecanismo biela-manivela

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(1)UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL. FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ. CONSTRUCCIÓN DE UNA MAQUETA DE UN MOTOR MONOCILÍNDRICO PARA DEMOSTRACIÓN DE LA CINEMÁTICA DEL MOTOR EN EL MECANISMO BIELA – MANIVELA. TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA AUTOMOTRIZ. JULIANA ALEJANDRA REYES NIETO. DIRECTOR: ING. CÉSAR PADILLA. Quito, Enero 2015.

(2) © Universidad Tecnológica Equinoccial. 2015 Reservados todos los derechos de reproducción.

(3) DECLARACIÓN. Yo, JULIANA ALEJANDRA REYES NIETO, 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.. _________________________ Juliana Alejandra Reyes Nieto C.I. 172430244-1.

(4) CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Construcción de una Maqueta de un Motor Monocilíndrico para Demostración de la Cinemática del Motor en el Mecanismo Biela-Manivela”, que, para aspirar al título de Ingeniera Automotriz fue desarrollado por Juliana Alejandra Reyes Nieto, 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. César Padilla DIRECTOR DEL TRABAJO C.I. 170049392-5.

(5) DEDICATORIA. “Nadie dijo que fuera fácil, pero prometieron que valdría la pena”. Dedico este trabajo, con mucho cariño: A mis padres, Edwin y Sonia, y a mis hermanos, Renata y Estefano, quienes me han brindado su amor y apoyo, y han sido. mi. pilar. fundamental. y. mi. motivación para luchar por mis metas. A todos quienes están conmigo, gracias por confiar en mí y nunca dejarme sola en este largo camino que es la vida.. Juliana Reyes Nieto.

(6) AGRADECIMIENTOS. Agradezco infinitamente: A Dios, por darme la vida y la salud para lograr alcanzar mis metas. A. mis. padres,. por. su. ejemplo. y. apoyo. incondicional para hacer de mí lo que ahora soy. A mis hermanos por darme la fuerza y motivación para seguir siempre adelante. A mi tía, a mi novio y a mis amigos y familia en general, quienes estuvieron siempre alentándome y recordándome que yo sí podía. A mis maestros, quienes me brindaron sus conocimientos para hacer de mí una excelente profesional. Al Ing. César Padilla, por su guía, ayuda, paciencia y dedicación en cada etapa de este trabajo, gracias por ser un gran maestro..

(7) ÍNDICE DE CONTENIDOS. RESUMEN. xvii. ABSTRACT. xix. 1. INTRODUCCIÓN. 21. 1.1.. PROBLEMA. 22. 1.2.. JUSTIFICACIÓN. 22. 1.3.. OBJETIVOS DEL PROYECTO. 23. 1.3.1.. OBJETIVO GENERAL. 23. 1.3.2.. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. 23. 1.4.. ALCANCE. 2. MARCO TEÓRICO 2.1.. MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA. 2.1.1.. 25 26. SISTEMÁTICA DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN. INTERNA 2.1.2.. 24. 28. CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN. INTERNA. 30. 2.2.. PARÁMETROS GEOMÉTRICOS DEL MOTOR. 33. 2.3.. CONCEPTOS BÁSICOS DE CINEMÁTICA. 39. 2.4.. CINEMÁTICA DE MÁQUINAS Y MECANISMOS. 42. 2.4.1.. MECANISMOS DE TRANSMISIÓN DE MOVIMIENTO. 2.4.1.1.. Mecanismos de transmisión lineal. 43 44 vii.

(8) 2.4.1.2. 2.4.2.. Mecanismos de transmisión circular. 46. MECANISMOS DE TRANSFORMACIÓN DE MOVIMIENTO 49. 2.4.2.1.. Mecanismos de transformación circular en lineal. 49. 2.4.2.2.. Mecanismos de transformación circular en lineal alternativo 51. 2.4.3. 2.5.. OTROS MECANISMOS DE INTERÉS. CINEMÁTICA DEL MECANISMO BIELA – MANIVELA. 3. METODOLOGÍA. 54 56 67. 3.1.. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL MOTOR. 68. 3.2.. SISTEMA MECÁNICO. 69. 3.2.1.. SELECCIÓN DE MATERIALES. 69. 3.2.2.. DISEÑO DE LA MAQUETA Y SUS MECANISMOS. 71. 3.2.3.. MECANISMO PARA LONGITUD DE BIELA VARIABLE. 73. 3.2.4.. ALTURA VARIABLE DEL CILINDRO. 75. 3.2.5.. MOVIMIENTO DEL CIGÜEÑAL. 76. 3.2.6.. DISCO DE ÁNGULO DE GIRO. 77. 3.2.7.. ESCALA DE DESPLAZAMIENTO. 78. 3.2.8.. BASE DE BANCADAS DE CIGÜEÑAL Y ESTRUCTURA DE LA. MAQUETA. 79. 3.2.9.. 83. MONTAJE DEL SISTEMA MECÁNICO DE LA MAQUETA. 3.2.9.1.. Unión de la estructura mediante suelda GMAW (MIG). 3.2.10. ACABADOS 3.2.10.1. Capa antioxidante. 83 85 85 viii.

(9) 3.3.. 3.2.10.2. Pintura electrostática. 86. SISTEMA ELECTRÓNICO. 88. 3.3.1.. SELECCIÓN DE ELEMENTOS A UTILIZAR. 88. 3.3.1.1.. Arduino Mega. 89. 3.3.1.2.. Pantalla gráfica TFT LCD 3.2". 90. 3.3.1.3.. Panel touch. 91. 3.3.1.4.. Sensor de revoluciones. 93. 3.3.1.5.. Variador de revoluciones. 94. 3.3.2.. ARMADO DEL CIRCUITO. 95. 3.3.3.. PROGRAMACIÓN. 97. 3.4.. PRUEBAS DE FUNCIONOMIENTO. 4. RESULTADOS 4.1.. MANUAL DE USO Y FUNCIONAMIENTO DE LA MAQUETA. 98 103 104. 4.1.1.. COMPONENTES DEL EQUIPO. 104. 4.1.2.. PRECAUCIONES Y SEGURIDADES. 104. 4.1.3.. ESQUEMA Y DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA. 105. 4.1.4.. ENCENDIDO Y APAGADO. 106. 4.1.5.. MANEJO DEL PROGRAMA. 107. 4.1.6.. UTILIZACIÓN DE LA MAQUETA MEDIANTE. FUNCIONAMIENTO MANUAL. 108. 4.1.7.. 109. 4.3.. PRUEBAS DE TALLER. GUÍAS PARA PRÁCTICAS EN EL TALLER. 110. ix.

(10) 4.4.. ANÁLISIS DE RESULTADOS. 117. 4.4.1.. DESPLAZAMIENTO, VELOCIDAD Y ACELERACIÓN. 117. 4.4.2.. RELACIÓN BIELA – MANIVELA (FACTOR λ). 118. 4.4.3.. CINEMÁTICA Y MECANISMO BIELA - MANIVELA. 118. 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 119. 5.1.. CONCLUSIONES. 120. 5.3.. RECOMENDACIONES. 122. ANEXOS. 123. NOMENCLATURA. 140. BIBLIOGRAFÍA. 143. x.

(11) ÍNDICE DE TABLAS. Tabla 1. Sistemática de la máquina de combustión. 30. Tabla 2. Ventajas e inconvenientes de los motores según la relación S/D 34 Tabla 3. Valores habituales para la relación carrera – diámetro. 35. Tabla 4. Valores habituales para la relación de compresión. 38. Tabla 5. Movimientos y mecanismos. 55. Tabla 6. Pruebas realizadas en la maqueta. 98. Tabla 7. Datos de posiciones (x) del pistón en función del ángulo girado por el cigüeñal (α) medidos manualmente y comparados con los obtenidos mediante software. 100. Tabla 8. Datos de la maqueta a 200 rpm obtenidos por software. 101. xi.

(12) ÍNDICE DE FIGURAS. Figura 1. Diagrama de entradas y salidas de un MCI. 26. Figura 2. Ciclos Termodinámicos Otto y Diésel. 27. Figura 3. Curvas características del motor. 28. Figura 4. Fases de un motor de 4 tiempos. 31. Figura 5. Motores refrigerados por líquido (A) y por aire (B). 32. Figura 6. Ciclos de pistón rotativo vs pistón alternativo. 32. Figura 7. Disposición de los cilindros de un motor. 33. Figura 8. Comparación entre cilindros de distinto S/D, con igual cilindrada y relación de compresión volumétrica. 35. Figura 9. Dimensiones: longitud de biela, radio de manivela. 36. Figura 10. Dimensiones: área del pistón, volumen de la cámara de combustión, cilindrada, relación de compresión. 38. Figura 11. Movimiento uniforme y movimiento variado. 40. Figura 12. Movimiento alternativo del pistón. 41. Figura 13. Tipos de sistemas de poleas. 44. Figura 14. Tipos de palancas. 45. Figura 15. Transmisión por correas. 47. Figura 16. Tipos de engranajes en función de la forma de sus dientes. 48. Figura 17. Esquema del mecanismo piñón – cremallera. 50. xii.

(13) Figura 18. Sistema de tornillo – tuerca utilizado en gatas mecánicas. 51. Figura 19. Esquema del sistema biela – manivela. 52. Figura 20. Esquema del cigüeñal. 53. Figura 21. Funcionamiento de una excéntrica. 53. Figura 22. Mecanismo leva – seguidor. 54. Figura 23. Sistema biela – manivela. 56. Figura 24. Descentramiento del eje del bulón. 57. Figura 25. Esquema básico de biela – manivela. 58. Figura 26. Diagrama de desplazamiento del pistón. 61. Figura 27. Diagrama de la velocidad del pistón. 64. Figura 28. Diagrama de la aceleración del pistón en función de los ángulos de rotación de la manivela. 66. Figura 29. Motor de Suzuki GN 125. 68. Figura 30. Esquema de la maqueta (incluido el motor eléctrico). 72. Figura 31. Esquema del mecanismo de longitud variable de la biela. 74. Figura 32. Perforaciones en las placas y la biela para variar su longitud. 74. Figura 33. Mecanismo de longitud de biela variable. 75. Figura 34. Ubicación de soportes para altura variable del cilindro y esquema de las piezas de aumento. 75. Figura 35. Motor eléctrico DC a 24v. 77. Figura 36. Disco indicador de ángulo de giro. 78. Figura 37. Escala de desplazamiento y corte del cilindro. 78. Figura 38. Esquema de las placas para la estructura. 79 xiii.

(14) Figura 39. Esquema de la estructura. 80. Figura 40. Perforaciones a las placas de la estructura. 80. Figura 41. Doblado de las placas. 81. Figura 42. Bancada del cigüeñal. 81. Figura 43. Portabocines con bocines y retenedores. 82. Figura 44. Rectificación de la superficie de la bancada del cigüeñal. 82. Figura 45. Machuelado del agujero para vaciar el cárter. 83. Figura 46. Soldadura de la maqueta. 84. Figura 47. Unión por soldadura MIG. 84. Figura 48. Pintura electrostática aplicada en las piezas. 87. Figura 49. Placa Arduino Mega. 89. Figura 50. Display TFT GLCD 3.2”. 90. Figura 51. Shield para TFT. 91. Figura 52. Panel touch para GLCD 3.2”. 92. Figura 53. Estructura interna del panel táctil. 92. Figura 54. Sensor de encoder con optoacoplador. 93. Figura 55. Disco de encoder. 94. Figura 56. Mosfet variador de tensión. 95. Figura 57. Circuito mosfet para variación de tensión. 95. Figura 58. Circuito transformador y rectificador de tensión. 96. Figura 59. Conexión de elementos a la placa Arduino. 96. Figura 60. Maqueta terminada. 99. xiv.

(15) Figura 61. Gráfica de desplazamiento obtenida por software. 101. Figura 62. Gráfica de velocidad obtenida por software. 102. Figura 63. Gráfica de aceleración obtenida por software. 102. Figura 64. Esquema de la maqueta y sus partes. 105. Figura 65. Descripción del proceso de funcionamiento. 106. Figura 66. Pantalla de inicio. 107. Figura 67. Botones variadores de rpm. 108. xv.

(16) ÍNDICE DE ANEXOS. ANEXO 1 Plano general del banco de pruebas. 124. ANEXO 2 Plano del mecanismo de longitud variable de biela. 125. ANEXO 3 Plano de fabricación de las placas para la estructura. 126. ANEXO 4 Plano del montaje de la estructura. 127. ANEXO 5 Plano de fabricación de bocines, portabocines y retenedores. 128. ANEXO 6 Programa en Arduino. 129. ANEXO 7 Maqueta terminada (varias vistas). 138. ANEXO 8 Costos del proyecto. 139. xvi.

(17) RESUMEN. En este proyecto se construyó una maqueta funcional utilizando un motor monocilíndrico, mediante la cual se puede comprender la aplicación de conceptos cinemáticos en los parámetros principales para el diseño de un motor y la geometría de su mecanismo biela – manivela. La maqueta fue realizada tras identificar la necesidad de aprendizaje y comprensión de cinemática aplicada al motor y será utilizada posteriormente en prácticas por los alumnos de la carrera de Ingeniería Automotriz de la Universidad Tecnológica Equinoccial en Quito – Ecuador. Se realizó el diseño y la selección del motor y los materiales en base al uso que se le iba a dar a dicha maqueta. Al construir la parte mecánica, se utilizaron procesos, máquinas y herramientas propios del área mecánica. Para el corte de las placas se requirió de una cizalla, se necesitó una dobladora para darles a ciertas piezas la forma requerida, al realizar las perforaciones se utilizó el taladro de pedestal, en varios procesos se necesitó también un torno y una fresadora; soldadura, protección antioxidante y pintura fueron los procesos utilizados en este trabajo; machuelos, tarraja y calibrador pie de rey son algunas de las herramientas que fueron útiles al construir la maqueta. En cuanto a la realización de la parte electrónica del proyecto, se aplicaron los conocimientos de electrónica automotriz pero también se tuvieron que ampliar conocimientos dentro del área de programación. El sensor óptico fue elegido ya que es el de mejores características para la aplicación requerida; el motor eléctrico que da movimiento al sistema es de corriente continua con caja reductora y fue escogido debido a su facilidad de control; se optó por el uso de la plataforma Arduino ya que es de software libre, de fácil manejo y con amplias opciones de aplicación.. xvii.

(18) Se realizó además un manual de uso y funcionamiento de la maqueta, así como también una guía de práctica útil para los estudiantes. Al finalizar, se logró crear un sistema amigable con el usuario, fácil de entender y manipular, con el cual se obtuvieron datos que comprueban las teorías del funcionamiento de mecanismos en base a conceptos cinemáticos y que ayudará a mejorar la capacidad de aprendizaje y comprensión en temas de cinemática aplicada en el diseño, construcción y modificación del motor, específicamente enfocados en el sistema biela – manivela.. xviii.

(19) ABSTRACT. In this project, a functional model was constructed using a single – cylinder engine, through which one can understand the application of concepts in the main kinematic parameters for the design of an engine and the geometry of the rod – crank mechanism. The model was made after identifying the need for learning and understanding of kinematics applied to the motor and will be used later in practices by the Automotive Engineering students of the Universidad Tecnológica Equinoccial in Quito – Ecuador. Design and motor and materials selection was performed based on the use that is going to give to this model. In constructing the mechanical part, processes, machines and tools own from the mechanical area were used. For cutting plates has required a shear, a bending tool was needed to give the required form to certain parts, pedestal drill was used to make the perforations, in various processes were also needed a lathe and a milling machine; welding, rust protection and paint were the processes that were used in this work; taps, tapper threading and caliper are some of the tools that were useful in constructing the model. As for the realization of the electronic part of the project, knowledge of automotive electronics was applied but also had to expand knowledge in the area of programming. The optical sensor was selected because it has the best features for the required application; the electric motor that gives motion to the system operates with DC and has a gearbox, it was chosen because of its ease in control; it was decided to use the Arduino platform because it is an open source, easy to use and with extensive application options. It was also developed a handbook of usage and operation of the model, as well as a useful practice’s guide for students.. xix.

(20) At the end, it was possible to create a user-friendly system, easy to understand and manipulate, with which were obtained data that proves the theories of performance of mechanisms based on kinematic concepts and which will help improve the learning and understanding capacity with regard to kinematic themes applied in engine design, construction and modification, specifically focused on the rod – crank system.. xx.

(21) 1.. INTRODUCCIÓN.

(22) 1.1. PROBLEMA. Variables que Causan el Problema: Dificultad al comprender y aplicar cálculos cinemáticos del motor en la parte práctica. Falta de material didáctico en la carrera de Ingeniería Automotriz para poder comprender y aplicar las enseñanzas teóricas relacionadas con la cinemática en el mecanismo biela – manivela.. 1.2. JUSTIFICACIÓN. La cinemática es una de las materias básicas en el aprendizaje del funcionamiento de máquinas y mecanismos, sobre todo en motores de combustión interna. El análisis cinemático permite relacionar el desplazamiento lineal del pistón y su velocidad con el giro del mecanismo biela - manivela; determinar las aceleraciones del pistón y del cuerpo de la biela, lo cual es fundamental para su dimensionado, y del pie de biela que, multiplicadas por la masa del pistón y de la parte de biela que puede considerarse constituyente del pie, dan las fuerzas alternativas que deberán tomarse en cuenta para el equilibrado posterior. Dentro del aprendizaje de temas que tienen que ver con cálculos en el diseño y funcionamiento de los motores y sus mecanismos, muchas veces es algo complejo comprender la aplicación de dichos temas en el campo práctico.. 22.

(23) Para solucionarlo, se propone la construcción de una maqueta didáctica, que servirá para prácticas de taller, en la cual se pueda observar todos los parámetros que tienen relación a la cinemática del motor, tales como desplazamiento del pistón, giro del cigüeñal, velocidad y aceleración alcanzadas por el pistón, relación entre la longitud de la biela y su manivela; lo cual es la geometría o arquitectura del motor. Con esto se podrá ver de forma práctica la aplicación de la teoría, y ayudará a la explicación y comprensión de estos temas.. 1.3. OBJETIVOS DEL PROYECTO. 1.3.1. OBJETIVO GENERAL. Construir una maqueta de un motor monocilíndrico para la demostración de la cinemática del motor en el mecanismo biela – manivela.. 1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. 1. Diseñar la estructura y seleccionar los materiales adecuados para la realización de un banco de pruebas (maqueta) de un motor monocilíndrico que ayude a comprender los parámetros cinemáticos del funcionamiento del motor.. 23.

(24) 2. Armar la maqueta de un motor monocilíndrico que permita demostrar didácticamente la aplicación práctica de los cálculos que se deben realizar al diseñar el mecanismo biela-manivela. 3. Realizar pruebas de funcionamiento de la maqueta para calibrarla, comprobar su correcta operación y su utilidad al obtener datos y gráficos de la variación cinemática y geométrica de los componentes del mecanismo biela-manivela. 4. Elaborar el manual de uso y funcionamiento de la maqueta y las guías de prácticas correspondientes al equipo, para su correcta utilización en las prácticas de taller.. 1.4. ALCANCE. Esta maqueta sirve para fines educativos (realización de prácticas para aplicar conocimientos teóricos sobre cinemática aplicada en la geometría del motor) dentro de la Universidad Tecnológica Equinoccial en la Carrera de Ingeniería Automotriz.. 24.

(25) 2.. MARCO TEÓRICO.

(26) 2.1. MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA. Un motor de combustión interna alternativo (MCIA) es una máquina térmica que genera su potencia al transformar la energía química obtenida por la violencia de la reacción química de un combustible en energía mecánica, como se muestra en la figura 1. Un MCIA necesita como entrada aire y combustible (energía química), además del aporte de sistemas auxiliares necesarios para su funcionamiento como son los sistemas de lubricación, refrigeración y eléctrico, y mecanismos en el interior del motor como sistema de distribución y mecanismos pistón-biela-manivela; como productos de salida final se obtiene la energía mecánica utilizable, además de residuos o productos de la ineficiencia como los gases de la combustión y calor cedido al medio.. Figura 1. Diagrama de entradas y salidas de un MCI. La obtención de la energía química ocurre por la combustión (HC + O2 à CO2 + H2O + energía), la cual sucede en una cámara cerrada dentro de la. 26.

(27) misma máquina. La conversión de esta energía térmica se realiza mediante su transmisión a un medio de trabajo (motor) cuya presión aumenta y que realiza el trabajo cuando finalmente se expande (Bosch GmbH, Robert, 2005). Este proceso se realiza mediante un ciclo termodinámico, en el cual la energía interna del sistema no cambia y el calor transferido (obtenido mediante la combustión) se convierte en trabajo realizado por el sistema. En la figura 2 se observa cómo trabajan estos ciclos en relación al volumen y la presión del sistema.. Figura 2. Ciclos Termodinámicos Otto y Diésel. Gracias al ciclo termodinámico y el trabajo en general que realiza el motor se logra obtener ciertas características o propiedades, las cuales se pueden observar en la figura 3: Rendimiento (η).- Relaciona la potencia útil generada por el motor y la potencia absorbida. Régimen de giro ( ).- Es la velocidad angular del cigüeñal, es decir las revoluciones por minuto (rpm) a las que gira.. 27.

(28) Potencia (P).- Es el trabajo que el motor es capaz de realizar en la unidad de tiempo a una determinada velocidad de giro; se mide generalmente en HP, CV, KW o PS. Par motor o torque (T).- Es el momento de rotación que actúa sobre el motor y determina su giro; se mide en N.m.. Figura 3. Curvas características del motor (Mecánica Virtual, 2013). 2.1.1. SISTEMÁTICA DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA. Una vez comprendido el funcionamiento de un motor, se debe conocer su sistemática. La sistemática se refiere a la división de las diferentes máquinas de combustión, de acuerdo a su funcionamiento y las características de su proceso de trabajo.. 28.

(29) Un motor de combustión interna (MCI) es aquel en el que el proceso de combustión del hidrocarburo para obtener energía se produce dentro del mismo; en este caso, el gas de combustión se utiliza directamente como medio de trabajo.. Si la obtención de trabajo mecánico debe realizarse continuamente debe existir. una. secuencia. cíclica. (motor. de. émbolos). o. continuada. (turbomáquina) de absorción de calor, expansión (obtención de trabajo) y retorno del medio de trabajo a su estado de partida (proceso cíclico). Si el medio de trabajo se modifica durante la absorción de calor al usar una parte de sus componentes, el retorno al estado de partida solo se logra sustituyendo el medio de trabajo. En este caso se tiene un proceso abierto y un intercambio de gas en el funcionamiento cíclico, lo cual es la expulsión del gas de combustión y el suministro de una carga fresca. Cuando la formación de la mezcla se realiza fuera de la cámara de combustión, la mezcla de aire y combustible es relativamente homogénea en el momento del inicio de la combustión. Si el suministro de carburante se realiza directamente dentro de la cámara, al momento de la combustión la mezcla es heterogénea. Se produce un autoencendido cuando la mezcla se inflama al superar su temperatura de encendido durante la compresión o cuando se inyecta combustible en aire en condiciones propicias para que dicho combustible se inflame. Mientras que si el inicio de la combustión se da con ayuda de una chispa (bujía) se tiene un encendido por chispa.. En la tabla 1 se observa esquemáticamente la sistemática de los motores de combustión.. 29.

(30) Tabla 1. Sistemática de la máquina de combustión. (Bosch GmbH, Robert, 2005). 2.1.2. CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA. Luego de conocer la clasificación general de una máquina térmica o motor, es necesario centrar el estudio en el motor de combustión interna, y conocer su clasificación específica.. 1) Por el tipo de encendido, los MCIA se distinguen entre:. Motores Otto.- Son motores de encendido provocado (MEP). Funcionan preferentemente con gasolina; la mezcla se puede formar tanto fuera de la cámara de combustión en sistemas de inyección indirecta (en el colector de admisión, antes de entrar a la cámara) como dentro de la cámara en sistemas de inyección directa; la combustión en el cilindro se produce por encendido por chispa. 30.

(31) Motores Diésel.- Se los denomina motores de encendido por compresión (MEC). Se impulsan con diésel o gasoil; la formación de la mezcla es interior directa o indirecta, en una precámara ubicada en la culata, y la combustión se da por el autoencendido del combustible provocado al inyectarlo en el aire comprimido que se encuentra a alta presión y temperatura dentro de la cámara (Bosch, 2010).. 2) Por el modo de trabajar (forma de hacer renovación de carga) se dividen en:. Motores de cuatro tiempos.- Tienen el cambio de gases “cerrado” (separado) y para que se cumpla un ciclo de trabajo son necesarias 4 carreras del pistón o 2 giros del cigüeñal. Sus ciclos se explican en la figura 4. Motores de dos tiempos.- El cambio de gases es “abierto” y necesita 2 carreras o 1 giro del cigüeñal para un ciclo de trabajo.. Figura 4. Fases de un motor de 4 tiempos (MecánicaMotor, 2012). 31.

(32) 3) Por el tipo de refrigeración pueden ser:. Motores refrigerados por líquido Motores refrigerados por aire. Figura 5. Motores refrigerados por líquido (A) y por aire (B) (Mecánica Virtual, 2013). 4) Según el movimiento del pistón se clasifican en:. Motores de pistón con movimiento alternativo Motores de pistón rotativo. Figura 6. Ciclos de pistón rotativo vs pistón alternativo (Fueltech, 2013). 32.

(33) 5) En cuanto a la disposición de los cilindros los motores son:. Motores de cilindros en línea Motores de cilindros opuestos u horizontales Motores de cilindros en V. Figura 7. Disposición de los cilindros de un motor (GTZ, 1985).. 2.2. PARÁMETROS GEOMÉTRICOS DEL MOTOR. Para que un motor funcione adecuadamente, existen ciertos parámetros que se deben tener en cuenta para dimensionar adecuadamente su diseño. Los parámetros geométricos son aquellos que permiten definir la geometría básica de un motor de combustión interna alternativo (MCIA), es decir caracterizar geométricamente las dimensiones de los elementos más importantes. Estos parámetros se fijan al momento de diseñar un motor, lo cual condiciona su posterior funcionamiento.. 1). Carrera del pistón (S).- Es el recorrido del pistón dentro del cilindro. durante su movimiento alternativo, el cual va desde el punto muerto superior. 33.

(34) (PMS) hasta el punto muerto inferior (PMI). La carrera (S) es el doble de la longitud de la manivela del cigüeñal (r), lo cual se expresa en la ecuación 1: [1]. 2). Diámetro del cilindro (D).- Es el que caracteriza de mejor manera el. tamaño de un motor, junto con la carrera; se lo llama también calibre. El diámetro del cilindro es ligeramente mayor al diámetro del pistón para permitir que éste se deslice dentro procurando una fricción mínima; sin embargo para efectos de cálculos se desprecia esa mínima diferencia y se consideran iguales ambos diámetros.. 3). Relación carrera – diámetro (S/D).- Permite clasificar a los motores en. tres tipos: alargados cuando el diámetro es mayor que la carrera, cuadrados cuando diámetro y carrera son iguales y supercuadrados cuando el diámetro del pistón es mayor que su carrera. Estas diferentes relaciones tienen ventajas y desventajas, las cuales se detallan en la tabla 2.. Tabla 2. Ventajas e inconvenientes de los motores según la relación S/D. (Payri & Desantes, 2011). En los MCIA, la relación carrera - diámetro permite relacionarse con el volumen de la cámara de combustión, como se indica en la figura 8.. 34.

(35) Figura 8. Comparación entre cilindros de distinto S/D, con igual cilindrada y relación de compresión volumétrica (Payri & Desantes, 2011). Los valores más utilizados en las diferentes aplicaciones de los MCIA, los cuales son útiles para efectos de diseño de motores e influyen en el rendimiento de cada motor dependiendo de sus requerimientos, se muestran en la tabla 3.. Tabla 3. Valores habituales para la relación carrera – diámetro. (Payri & Desantes, 2011). 4). Longitud o radio de la manivela (r).- Se mide entre los centros del. muñón de bancada y el muñón de biela. La manivela es el elemento que permite convertir el movimiento de la biela en una rotación alrededor del eje del cigüeñal. Se une en un extremo con la biela, de la cual recibe la fuerza por la expansión de los gases, y con el otro transmite el par de giro al cigüeñal.. 35.

(36) 5). Longitud de la biela (ℓ).- Es aquella que está entre el centro del muñón. de biela en el cigüeñal y el centro del bulón en el pistón. Lo más conveniente sería que la longitud entre los centros de la biela sea mínima para reducir la altura del motor, pero también se debe considerar que la falda del pistón no choque con el cigüeñal en PMI.. Para obtener el valor de lambda (λ), que es la relación entre la longitud de la biela (ℓ) con el radio del cigüeñal (r), se aplica la ecuación 2. [2] Este valor es adimensional y está establecido, por motivos de diseño que serán demostrados en esta tesis, entre 0.2 a 0.4. Estas dimensiones geométricas son las que se ven en la figura 9.. Figura 9. Dimensiones: longitud de biela, radio de manivela (GTZ, 1986). Dónde: Radio de la manivela, semicarrera del pistón ℓ. Longitud de la biela. 36.

(37) ℓa. Longitud del arco en el círculo del cigüeñal [3]. S. Carrera del pistón, diámetro de la manivela Recorrido del pistón (correspondiente al arco la). α. Ángulo girado por el cigüeñal en grados. β. Ángulo de la biela en grados Velocidad de giro del cigüeñal. D. Diámetro del cilindro. 6). Área del pistón (Ap).- Es el área sobre la que se ejerce la presión de. los gases para obtener trabajo. La sección de las válvulas está limitada por este parámetro. Se obtiene mediante la ecuación 4. [4]. 7). Volumen de la cámara de combustión (Vc).- Es el volumen mínimo. que se alcanza al comprimir los gases en el cilindro cuando el pistón está en PMS.. 8). Cilindrada (Vh, VH).- La cilindrada unitaria (Vh) es el volumen. desplazado por el pistón dentro del cilindro cuando va desde el PMS al PMI, se calcula mediante la ecuación 5. [5] La cilindrada total (VH) del motor, calculada mediante la ecuación 6, es el volumen unitario por el número de cilindros; está directamente relacionada con la potencia del motor ya que define su capacidad para admitir aire.. 37.

(38) [6]. Figura 10. Dimensiones: área del pistón, volumen de la cámara de combustión, cilindrada, relación de compresión (GTZ, 1986). 9). Relación de compresión (ε).- Expresa las veces que se comprimió el. volumen de aire o mezcla aire – combustible en el cilindro hasta ocupar el volumen de la cámara de combustión. En motores MEP (a gasolina) el valor no debe ser excesivo para evitar el autoencendido, mientras que en motores MEC (a diésel) debe ser el suficiente para producir autoencendido; estos valores se pueden ver en la tabla 4. [7]. Tabla 4. Valores habituales para la relación de compresión. (Payri & Desantes, 2011). 38.

(39) 2.3. CONCEPTOS BÁSICOS DE CINEMÁTICA. El siguiente tema que es necesario comprender para el estudio referido en esta tesis es la mecánica y cinemática. Dentro de la ciencia de la física, la mecánica es aquella parte que tiene por objeto estudiar el estado de movimiento de los cuerpos, buscar sus causas y establecer las leyes que rigen estos movimientos; la cual se divide en dos ramas: la cinemática y la dinámica. La cinemática es la parte de la mecánica que se ocupa de la descripción del movimiento de los cuerpos, en un espacio y tiempo determinados, sin tener en cuenta las causas que lo producen (Giancoli, 2002). Estudia problemas de trayectorias, posiciones, desplazamientos, velocidades, aceleraciones, etc, desde un punto de vista gráfico o analítico (Grupo de Investigación de Ingeniería Mecánica Aplicada y Computacional, 2006).. La posición de una partícula en el espacio constituye una magnitud vectorial que permite establecer su localización dentro de un sistema coordenado de referencia. El desplazamiento de una partícula u objeto (Δx) es el cambio o variación de posición de éste hacia un punto x2 con respecto al punto inicial de referencia (x1), y está definido por la ecuación 8. –. [8]. Trayectoria es la línea que describe la partícula en su movimiento al ir ocupando distintas posiciones en el transcurso del tiempo. El tipo de trayectoria permite considerar dos tipos de movimiento: Movimiento rectilíneo, cuando la trayectoria es recta;. 39.

(40) Movimiento curvilíneo, cuando la trayectoria es curva; un caso particular es el movimiento circular, en el que la trayectoria es una circunferencia (González Fernández, 2009). El movimiento rectilíneo es de dos tipos: Uniforme, cuando en espacios de tiempo iguales se recorren trayectos iguales; Variado, cuando en espacios de tiempo iguales se recorren trayectos de magnitudes distintas entre sí ya que la velocidad aumenta o disminuye (GTZ, 1985). En la figura 11 se pueden apreciar los dos tipos de movimientos.. Figura 11. Movimiento uniforme y movimiento variado (GTZ, 1985). El movimiento alternativo es un tipo de movimiento variado ya que es un movimiento de ida y vuelta con velocidad variable. Esto ocurre en el caso del movimiento del pistón, el cual va de cero hasta una velocidad máxima para luego tener una desaceleración que lo lleva de nuevo a cero, como se puede ver en la figura 12.. 40.

(41) Figura 12. Movimiento alternativo del pistón (GTZ, 1986). La velocidad expresa el cambio de posición del objeto o trayecto recorrido (Δx) con relación al tiempo empleado (Δt). Se expresa con la ecuación 9: [9] Cuando un objeto rígido tiene una trayectoria circular éste tiene velocidad angular, la cual se define como la relación del desplazamiento angular (Δθ) de un objeto rígido al intervalo de tiempo Δt durante el que se presenta el desplazamiento, y se expresa mediante la ecuación 10: [10] La aceleración se define como la rapidez de cambio de la velocidad (Δ ) de un cuerpo con respecto al tiempo. Está expresada en la ecuación 11: [11]. 41.

(42) 2.4. CINEMÁTICA DE MÁQUINAS Y MECANISMOS. Al entender a qué se refiere la cinemática en general, se debe también conocer cómo se aplica a las máquinas y mecanismos. En el ámbito de la teoría de máquinas y mecanismos se diferencian el análisis y la síntesis de mecanismos. El análisis consiste en estudiar la cinemática y la dinámica de un mecanismo según las características de los elementos que lo constituyen. Por tanto, el análisis de un mecanismo permitirá, por ejemplo, determinar la trayectoria de un punto de una barra o una relación de velocidades entre dos miembros (Cardona Foix & Clos Costa, 2001).. Una máquina es un conjunto de elementos que interactúan entre sí para aprovechar, regular o dirigir la acción de una fuerza. Estos dispositivos pueden recibir cierta forma de energía y transformarla en otra para generar un determinado efecto. Los elementos que constituyen las máquinas se llaman mecanismos. En función del número de mecanismos que conformen la máquina se distinguen dos tipos de máquinas: simples y compuestas. De acuerdo a sus fuentes de energía, las máquinas pueden clasificarse de distintas formas. Las máquinas manuales son aquellas cuyo funcionamiento requiere de la fuerza humana. Las máquinas eléctricas (como los generadores), en cambio, transforman la energía cinética en otra energía gracias a contar con circuitos magnéticos y circuitos eléctricos. Las máquinas hidráulicas y las máquinas térmicas, por su parte, utilizan fluidos. Entre los componentes de una máquina, suelen destacarse el motor (el dispositivo que permite generar la energía para el desarrollo del trabajo requerido), el mecanismo (los elementos mecánicos que transforman la energía portada por el motor) y el bastidor (una estructura rígida que enlaza. 42.

(43) el motor y el mecanismo). El conjunto de máquinas se conoce como maquinaria (Real Academia Española, 2001).. Un mecanismo se define como la combinación de cuerpos resistentes conectados por medio de articulaciones móviles para formar una cadena cinemática cerrada con un eslabón fijo y cuyo propósito es transmitir o transformar las fuerzas y el movimiento (Reuleaux, 1875). Una cadena cinemática es un conjunto o subconjunto de miembros de un mecanismo enlazados entre sí. Por ejemplo, la cadena de transmisión de un vehículo, el mecanismo pistón-biela-manivela, etc. Los miembros de una cadena cinemática se denominan eslabones (Cardona Foix & Clos Costa, 2001). La multiplicación de esfuerzo conseguida por ese mecanismo se denomina ventaja mecánica (Shigley & Uicker, 2001). Los mecanismos pueden clasificarse de acuerdo a distintas variables: * De acuerdo a la función pueden ser de transmisión o de transformación. * De acuerdo al movimiento que ocasionan pueden ser lineales o circulares. (Dpto. de Tecnología de Aragón, 2009).. 2.4.1. MECANISMOS DE TRANSMISIÓN DE MOVIMIENTO. Son mecanismos que transmiten el movimiento, fuerza y potencia de un punto a otro sin cambiar la naturaleza del movimiento, pueden ser de dos tipos: Mecanismos de transmisión lineal Mecanismos de transmisión circular. 43.

(44) 2.4.1.1.. Mecanismos de transmisión lineal. Un mecanismo de transmisión lineal es aquel en el que tanto el elemento de entrada como el de salida tienen movimiento lineal. Pueden ser poleas y palancas.. a) Sistema de poleas Una polea es una rueda con una ranura que gira alrededor de un eje por la que se hace pasar una cuerda que permite vencer una resistencia R de forma cómoda aplicando una fuerza F. De este modo podemos elevar pesos hasta cierta altura. Es un sistema de transmisión lineal pues el movimiento de entrada y salida es lineal. Tenemos cuatro posibles casos que se observan en la figura 13: polea fija, polea móvil, polipasto potencial y polipasto exponencial.. Figura 13. Tipos de sistemas de poleas (Wikipedia, 2011). 44.

(45) b) Palanca Es un sistema de transmisión lineal. La palanca es una barra rígida que gira en torno a un punto de apoyo o fulcro. En un punto de la barra se aplica una fuerza F, con el fin de vencer una resistencia R. La palanca se encuentra en equilibrio cuando el producto de la fuerza (F) por la distancia al punto de apoyo d (brazo de la fuerza) es igual al producto de la resistencia a vencer (R) por la distancia al punto de apoyo r (brazo de la resistencia). [12] Cuando la resistencia a vencer es mayor que la fuerza a aplicar se dice que la palanca tiene ventaja mecánica. Existen tres tipos de palancas, en función de la posición relativa entre fuerza, resistencia y punto de apoyo, como se ve en la figura 14.. Figura 14. Tipos de palancas (Dpto. de Tecnología de Aragón, 2009). 45.

(46) 2.4.1.2.. Mecanismos de transmisión circular. Un mecanismo de transmisión circular es aquel en el cual tanto el elemento de entrada como el de salida tienen movimiento circular La principal utilidad de este tipo de mecanismos radica en poder aumentar o reducir la velocidad de giro de un eje tanto cuanto se desee. Por ejemplo: el motor de una lavadora gira a alta velocidad, pero la velocidad del tambor que contiene la ropa, gira a menor velocidad. Es necesario, pues, este tipo de mecanismo. Para desempeñar su misión, las máquinas disponen de partes móviles encargadas de transmitir la energía y el movimiento de las máquinas motrices a otros elementos. Estas partes móviles son los elementos transmisores, que pueden ser directos e indirectos.. a) Ruedas de fricción Son elementos de máquinas que transmiten un movimiento circular entre dos árboles de transmisión gracias a la fuerza de rozamiento entre dos ruedas que se encuentran en contacto directo. A este tipo de transmisión también se le conoce como transmisión por fricción. La relación de transmisión, expresada en la ecuación 13, es la relación de velocidades entre la rueda conducida o receptor (n2) y la rueda conductora o motriz (n1), o lo que es lo mismo, entre la rueda de salida y la rueda de entrada, por lo que la velocidad del eje de salida será mayor cuanto menor sea el diámetro de la rueda conducida. [13] Dónde: Relación de transmisión. 46.

(47) n1. Velocidad rueda motriz (rpm). n2. Velocidad rueda conducida (rpm). D1. Diámetro rueda motriz (rpm). D2. Diámetro rueda conducida (rpm). b) Poleas con correa Se trata de dos ruedas situadas a cierta distancia, que giran a la vez por efecto de una correa. Las correas suelen ser cintas de cuero flexibles y resistentes. Las hendiduras de ambas poleas tienen el mismo tamaño y la correa entre ambas debe tener la tensión adecuada para que se transmita el movimiento. Existen multitud de tipos de correas siendo las más comunes la plana, cilíndrica, trapezoidal y eslabonada. Los diferentes sistemas de transmisión de movimiento mediante correas se muestran en la figura 15.. Figura 15. Transmisión por correas (GTZ, 1986). 47.

(48) c) Engranajes Los engranajes son ruedas dentadas que encajan entre sí, de modo que unas ruedas transmiten el movimiento circular a las siguientes. El tamaño de los dientes de todos los engranajes debe ser igual. La transmisión de movimiento por engranajes es adecuada para transmitir grandes fuerzas porque los dientes de los engranajes no deslizan entre sí, por el contrario en la transmisión por ruedas de fricción y poleas con correa se produce un deslizamiento, aunque en ocasiones puede ser beneficioso para absorber cambios bruscos de velocidad como acelerones o frenadas. Hay diferentes tipos de engranajes, los cuales se pueden ver en la figura 16.. Figura 16. Tipos de engranajes en función de la forma de sus dientes (Dpto. de Tecnología de Aragón, 2009). d) Piñones con cadena Este sistema de transmisión consiste en dos ruedas dentadas de ejes paralelos, situadas a cierta distancia la una de la otra, y que giran a la vez por efecto de una cadena que engrana a ambas. La relación de transmisión se calcula como en el caso de los engranajes.. e) Tornillo sinfín y rueda Se trata de un tornillo que se engrana a una rueda dentada, cuyo eje es perpendicular al eje del tornillo. Por cada vuelta del tornillo sinfín acoplado al 48.

(49) eje motriz, la rueda dentada acoplada al eje de arrastre gira un diente. Este sistema tiene una relación de transmisión muy baja, es decir, es un excelente reductor de velocidad. Se emplea por ejemplo en las clavijas que tensan las cuerdas de las guitarras. El elemento motriz es el tornillo, nunca al revés, el sistema no es reversible. La relación de transmisión en este sistema es:. siendo z el número de dientes de la rueda (Dpto. de. Tecnología Cejarosu, 2005).. 2.4.2. MECANISMOS DE TRANSFORMACIÓN DE MOVIMIENTO. Este tipo de mecanismos transforman un movimiento circular en uno lineal, o a la inversa. Pueden ser de dos tipos: Mecanismos de transformación circular en lineal o a la inversa Mecanismos de transformación circular en lineal alternativo o a la inversa. 2.4.2.1.. Mecanismos de transformación circular en lineal. En un mecanismo de transformación de movimiento circular en lineal, el elemento de entrada tiene movimiento circular, mientras que el elemento de salida tiene movimiento lineal, o a la inversa.. a) Torno Es un cilindro que consta de una manivela que lo hace girar, de forma que es capaz de levantar pesos con menos esfuerzo. Se puede considerar como una palanca de primer grado cuyos brazos giran 360º. Es una palanca cuyo 49.

(50) punto de apoyo es el eje del cilindro, el brazo de la fuerza d es la manivela y el brazo de la resistencia r es el radio del cilindro. Como la longitud de la manivela es mayor que el radio del torno, la palanca tendrá ventaja mecánica.. b) Piñón – cremallera Este sistema transforma el movimiento circular en rectilíneo por medio de dos elementos dentados: un piñón que gira sobre su propio eje y una barra dentada denominada cremallera. Los dientes pueden ser rectos o helicoidales. Cuando la rueda dentada gira, la cremallera se desplaza con movimiento rectilíneo tal como se indica en la figura 17; se trata de un mecanismo reversible. Se utiliza en columnas de taladradoras, sacacorchos, direcciones de automóviles, etc.. Figura 17. Esquema del mecanismo piñón – cremallera (Santillana, 2013). c) Tornillo – tuerca Este sistema sirve como elemento de unión entre dos o más piezas. Pero, además posee unas características que le permiten que se pueda utilizar para transmitir el movimiento. Se compone de una varilla roscada y una pieza con un agujero roscado de la misma métrica o medida, como en la figura 18. Al girar la varilla, permaneciendo fija la tuerca, hace que esta. 50.

(51) última se desplace en sentido longitudinal del eje, con lo que se consigue transformar un movimiento circular uniforme en otro lineal. También se trata de un mecanismo reversible. Un parámetro clave en este sistema es el paso, que es la distancia en milímetros entre vuelta y vuelta.. Figura 18. Sistema de tornillo – tuerca utilizado en gatas mecánicas (Santillana, 2013). 2.4.2.2.. Mecanismos. de. transformación. circular. en. lineal. alternativo. Un mecanismo de transformación de movimiento circular en lineal alternativo es aquel en el que el elemento de entrada tiene movimiento circular, mientras que el elemento de salida tiene movimiento lineal alternativo, o a la inversa.. a) Sistema biela – manivela Está formado una barra articulada por un extremo con una manivela y por el otro con un pistón que describe un movimiento alternativo. Al girar el eje, la. 51.

(52) manivela transmite un movimiento circular a la biela que experimenta un movimiento de vaivén; este sistema también funciona a la inversa. Estos movimientos se observan en la figura 19. Fue fundamental en el desarrollo de la locomotora de vapor, y en la actualidad se utiliza en motores de combustión interna, limpiaparabrisas, máquinas herramientas, etc.. Figura 19. Esquema del sistema biela – manivela (Santillana, 2013). b) Cigüeñal Es un sistema compuesto por la unión de múltiples manivelas en un mismo eje acopladas a sus correspondientes bielas, tal como se ve en la figura 20. Transforma un movimiento circular en los movimientos alternativos de vaivén desacompasados de las diferentes bielas. También puede transformar los movimientos de vaivén desacompasados de las diferentes bielas en un movimiento circular. Los cigüeñales son empleados en todo tipo de mecanismos que precisen movimientos alternativos sincronizados como por ejemplo los motores de los autos.. 52.

(53) Figura 20. Esquema del cigüeñal (Santillana, 2013). c) Excéntrica Es una rueda que tiene una barra rígida unida en un punto de su perímetro. Su eje de giro no coincide con su eje geométrico, por lo que transforma el movimiento circular en rectilíneo alternativo. En la figura 21 se puede apreciar cómo funciona este mecanismo.. Figura 21. Funcionamiento de una excéntrica (Dpto. de Tecnología Cejarosu, 2005). d) Leva Es un elemento mecánico que va sujeto a un eje y tiene un contorno con forma especial. De este modo, el giro del eje hace que el perfil o contorno de la leva tope, mueva, empuje o conecte una pieza conocida como seguidor. 53.

(54) Permite obtener un movimiento alternativo, a partir de uno circular; pero no nos permite obtener el circular a partir de uno alternativo (o de uno oscilante); es por tanto un mecanismo no reversible. Este mecanismo se emplea en motores de vehículos (para la apertura y cierre de las válvulas), programadores de lavadoras (para la apertura y cierre de los circuitos que gobiernan su funcionamiento), etc (Cabrera, 2013).. Figura 22. Mecanismo leva – seguidor (Santillana, 2013). 2.4.3. OTROS MECANISMOS DE INTERÉS. Aparte de los mecanismos de transmisión y transformación de movimiento, existen otros mecanismos entre los que se destacan los siguientes:. a). Tornillo.- Es un plano inclinado, pero enrollado sobre un cilindro.. Cuando se aplica presión y se enrosca, se multiplica la fuerza aplicada, cada filete de rosca hace de cuña, introduciéndose en el material con poco esfuerzo. Los parámetros básicos de un tornillo son el paso, que es la distancia entre vuelta y vuelta, y la métrica que es el diámetro del tornillo.. 54.

(55) b). Plano inclinado.- Es una rampa que sirve para elevar cargas. realizando menos esfuerzo. Cuanto menor sea la pendiente menor será la fuerza a aplicar y mayor el recorrido.. c). Trinquete.- Es un mecanismo que sirve para dirigir el movimiento,. permite a un engranaje girar hacia un lado, pero impide hacerlo en sentido contrario, ya que lo traba con dientes en forma de sierra. (Dpto. de Tecnología de Aragón, 2009).. Todos los mecanismos existentes pueden ser utilizados de distintas maneras para conseguir variaciones de movimientos, tal como lo muestra la tabla 5.. Tabla 5. Movimientos y mecanismos. (Dpto. de Tecnología Cejarosu, 2006). 55.

(56) 2.5. CINEMÁTICA DEL MECANISMO BIELA – MANIVELA. Por último, nos centraremos en el tema principal, que es la aplicación y el estudio de la cinemática específicamente en el mecanismo biela – manivela del motor de combustión interna alternativo. Dentro del análisis de la cinemática del mecanismo biela – manivela se busca determinar las posiciones, velocidades y aceleraciones de los diferentes puntos del mecanismo. El MCIA genera un movimiento alternativo del pistón, ocasionado por la expansión de los gases de combustión, el cual se transforma en movimiento circular del cigüeñal mediante un sistema de biela – manivela como los de la figura 23.. Figura 23. Sistema biela – manivela. Se llama manivela o muñón de bancada a uno de los brazos del cigüeñal, el cual une el punto de apoyo (centro) y la muñequilla o muñón de biela (extremo del radio de giro del cigüeñal). La biela está articulada por su pie con el bulón del pistón y por su cabeza con su muñón. Su misión es transmitir la fuerza generada por los gases sobre el pistón hacia las manivelas del cigüeñal y viceversa. 56.

(57) Normalmente, el mecanismo biela – manivela está descentrado, por lo que el eje del cigüeñal no está en el mismo plano que el del cilindro o que el del bulón. El descentramiento se emplea principalmente para atenuar los choques del pistón contra las paredes del cilindro. Por otra parte, el descentramiento provoca que la inclinación de la biela sea diferente durante las carreras descendente y ascendente del émbolo, por lo cual el esfuerzo lateral que ejerce el pistón sobre las paredes del cilindro aumenta mientras más inclinada está la biela. La figura 24 muestra una de las situaciones más frecuentes, el bulón descentrado hacia la cara de empuje del pistón, la cual es en la que se apoya el pistón sobre el cilindro durante la carrera de expansión.. Figura 24. Descentramiento del eje del bulón (Payri & Desantes, 2011). La ecuación para el descentrado relativo, el cual tiene valores establecidos en límites de diseño entre 0 a 0.15 es:. k. [14]. 57.

(58) Donde. es el desplazamiento del eje del cilindro con respecto al eje del. cigüeñal y. es el radio de la manivela.. Ya que el valor del descentramiento es relativamente pequeño, se lo despreciará en los cálculos cinemáticos. En el estudio cinemático del mecanismo es usual trabajar con la velocidad angular media del cigüeñal, por lo que no se tiene en cuenta ni la irregularidad cíclica derivada de las variaciones del par motor ni los efectos transitorios como una aceleración o una parada (Payri & Desantes, 2011). La geometría simple de este mecanismo permite una aproximación directa al análisis exacto de la posición, velocidad y aceleración de su corredera (biela) con solo ecuaciones de trigonometría plana y escalares (Norton, 2009). Para determinar la velocidad y la aceleración que alcanza el pistón se debe determinar primeramente la ecuación de posición del pistón en función del ángulo girado por el cigüeñal.. Figura 25. Esquema básico de biela – manivela (Porras & Soriano, 2011). 58.

(59) Dónde: ℓ. Longitud de biela Radio de la manivela. S. Carrera del pistón Posición del pistón referida al punto muerto superior. α. Ángulo girado por el cigüeñal contado desde el punto muerto superior (PMS). β. Ángulo que forma la biela con el eje del cilindro; oblicuidad de la biela. θ. Ángulo formado entre la biela y la manivela. Observando la figura 25 se puede obtener la ecuación 15: [15] Por relaciones trigonométricas se puede sacar que despejando se puede obtener que. y. y. ;. .. Reemplazando estas relaciones en la ecuación 15 se tiene que , y despejando x y ordenando se llega a: x = r*(1 – cos α) + ℓ *(1 – cos β). [16]. (Payri & Desantes, 2011) En la ecuación 16, el desplazamiento del pistón (x) se expresa en función de α y de β pero necesitamos calcularlo solo en función del ángulo girado por el cigüeñal, por lo que es necesario proceder así: Al tener un lado común los triángulos cuyas hipotenusas son la biela y la manivela del cigüeñal se puede establecer que:. 59.

(60) [17] Ya que λ es la relación entre la longitud de la manivela y la de la biela, que define la transformación del movimiento alternativo del pistón y el movimiento alternativo del cigüeñal, se tiene que: [18] De la ecuación anterior se obtiene β para cada posición α de la manivela, el cual tendrá su valor máximo cuando α sea de 90° y 270° (por simetría). Como. , se sustituye senβ por su valor en función de α y. se tiene que: [19] Sustituyendo este valor se tiene la expresión del desplazamiento del pistón en función del ángulo girado por la manivela, cuya ecuación es: [20] (Porras & Soriano, 2011) Ésta ecuación se puede expresar también por medio de un solo término, lo cual es útil al momento de representar el papel que juega la velocidad de giro del cigüeñal y sus armónicas como generadoras de vibraciones en el motor; además de que es una forma un poco más simplificada con la que se puede trabajar mejor. Aplicando el teorema del binomio, el cual establece que , a la expresión que se encuentra en el radical de la ecuación 20 tomando en cuenta que y. ,. se tiene la siguiente expansión: [21]. 60.

(61) En términos prácticos, si se trunca la expansión en el segundo término y teniendo en cuenta que el valor de λ en los motores modernos oscila entre 0,22 a 0,33, el error que se tendría sería de menos del 1%. Así, se reemplaza la ecuación 21 en la 20:. , se reemplaza ℓ por. , y se agrupa por factor común En virtud de ello, la ecuación del desplazamiento del pistón es: [22] La representación gráfica de la ecuación 22 en ejes cartesianos en los que en abscisas se tome el ángulo girado por el cigüeñal y en ordenadas el valor del desplazamiento angular del pistón, ofrece una gráfica (realizada en fooplot.com) como la que se presenta en la figura 26.. Figura 26. Diagrama de desplazamiento del pistón 61.

(62) En el diagrama anterior se observa que para un movimiento angular de la manivela α=90°, el pistón recorre una longitud mayor que la mitad de la carrera. Esto significa que, si la velocidad de giro del cigüeñal es constante, para recorrer la primera mitad de la carrera el motor emplea un tiempo menor que para recorrer la segunda mitad.. Se puede encontrar el ángulo girado por el cigüeñal en el instante que el pistón recorre la mitad de la carrera mediante el siguiente procedimiento: en la mitad de la carrera, porque ecuación de la posición del pistón. ; lo cual se reemplaza en la y se despeja. α, así:. [23]. La velocidad se calcula mediante la expresión. ; es decir, hallando la. derivada del espacio con respecto al tiempo. La. ecuación. anteriormente, también puede expresarse teniendo en cuenta que. hallada ,. como en la ecuación 24: [24]. 62.

(63) Como x está expresada en función de α y hay que calcular su derivada respecto al tiempo, se debe expresar. .. Considerando la velocidad angular del cigüeñal constante, se tiene que , por lo que se tiene la ecuación 25: [25] (Porras & Soriano, 2011) Ecuación en la que la velocidad angular del motor ω se expresa en rad/s. Como r es mucho más pequeño que ℓ y como. tiene como valor. máximo la unidad, es posible despreciar el término. , por lo que la. expresión. puede considerarse que tiende a 1. Por lo tanto, la. velocidad del pistón puede calcularse más fácilmente, de forma aproximada, mediante la ecuación 26: [26] Como. , se puede expresar la velocidad mediante la. ecuación 27: [27]. Si en unos ejes cartesianos, en los que se toman en abscisas el ángulo girado por el cigüeñal y en ordenadas la velocidad del pistón, se obtiene la representación gráfica de la ecuación de la velocidad (ecuación 27), ésta ofrece una gráfica (elaborada en www.wolframalpha.com) como la que se representa en figura 27.. 63.

(64) Figura 27. Diagrama de la velocidad del pistón. La observación de la figura anterior indica que, tanto en el punto muerto superior (PMS) como en el punto muerto inferior (PMI), la velocidad del pistón es nula y que, a partir del PMS aumenta hasta llegar a un valor máximo que coincide con el instante en el que biela y manivela son perpendiculares, disminuyendo a continuación hasta que en el PMI se hace de nuevo nula.. Se puede demostrar analíticamente que, en el instante que el pistón alcanza su velocidad máxima, la biela y la manivela están formando 90°, mediante el siguiente procedimiento: Primero debemos obtener los máximos de la ecuación mediante derivadas y luego despejar α:. 64.

(65) ; se omite la raíz con signo negativo debido a que el coseno de un ángulo es positivo cuando su valor está entre 0º y 90º, lo cual es lo que buscamos. [28] Para comprobar que efectivamente se trata de un máximo, se encuentra la segunda derivada en la cual se reemplaza α;. debe ser mayor que cero.. Al obtener α se puede calcular β mediante la fórmula. .. Gracias a una de las propiedades de los triángulos obtenida por la geometría euclidiana, que dice que la suma interna de sus ángulos es igual a 180° (π radianes), se puede saber que θ=180°-α-β; lo cual, resolviendo, dará un resultado de 90°.. Las variaciones de velocidad indican la existencia de aceleraciones, cuyo .. valor vendrá dado por la derivada de la velocidad respecto al tiempo. Como la expresión de la velocidad es función del ángulo girado por el cigüeñal, para poder derivar en función del tiempo se recurre a considerar: [29] Y como se expresó anteriormente ω =. , derivado se llega a que: [30]. (Porras & Soriano, 2011). 65.

(66) La representación gráfica de la ecuación 30, en unos ejes cartesianos en los que se toma en abscisas el valor del ángulo girado por el cigüeñal y en ordenadas el de la aceleración del pistón, ofrece una gráfica (realizada en www.wolframalpha.com) como la que se representa en la figura 28.. Figura 28. Diagrama de la aceleración del pistón en función de los ángulos de rotación de la manivela. El análisis de la gráfica anterior indica que: -. El valor de la aceleración es cero cuando es máxima la velocidad del pistón,. instante. que. coincide. cuando. biela. y. manivela. son. perpendiculares. -. La aceleración tiene un máximo en el PMS, que corresponde con α=0°, cuyo valor es: [31]. -. La aceleración tiene un mínimo en el PMI, que corresponde a en el cual se tiene. y. ,. , cuyo valor es: [32]. (Porras & Soriano, 2011). 66.

(67) 3.. METODOLOGÍA.

(68) Para la construcción del banco de pruebas que demuestre la aplicación de los parámetros cinemáticos del motor en el mecanismo biela – manivela, se pensaron varias alternativas. Después de tener en cuenta diferentes variables se optó por realizar una maqueta utilizando un MCIA básico y realizarle los cortes necesarios al cilindro para poder observar el mecanismo interno, fabricar una estructura que cumpla la función de sostener dicho mecanismo y permitir su funcionamiento, acoplar un mecanismo para el movimiento del motor y adaptar un software que permita la obtención electrónica de los valores cinemáticos del motor.. 3.1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL MOTOR. Luego de analizar el costo, la disponibilidad y la facilidad de adaptación a la necesidad requerida, se optó por utilizar el bloque cilindro, el pistón con sus rines, la biela y el cigüeñal de un motor de una moto Suzuki modelo GN125 como el de la figura 29.. Figura 29. Motor de Suzuki GN 125. 68.

(69) Es un motor monocilíndrico de 4 tiempos, SOHC con 2 válvulas y refrigerado por aire; tiene una cilindrada de 124 cc y relación de compresión de 9.2:1; entrega una potencia máxima de 12.5 HP a 9 000 rpm y un torque de 8,92 N.m a 6 500 rpm.. Los parámetros geométricos originales de este motor son: Radio de la manivela. = 24 mm. Longitud de la biela ℓ = 109 mm Relación radio – manivela (factor lambda) Diámetro del cilindro D = 57 mm Carrera del pistón S = 48 mm Relación. --> motor supercuadrado. 3.2. SISTEMA MECÁNICO. 3.2.1. SELECCIÓN DE MATERIALES. Para la selección de los materiales que se deben utilizar en cualquier trabajo es necesario tener en cuenta las siguientes consideraciones: Consideraciones dimensionales, de forma y peso (diseño) Consideraciones de resistencia mecánica Conocimiento de condiciones de operación. 69.

(70) Resistencia al desgaste Facilidad y procedimientos de fabricación Requisitos de durabilidad Costos y disponibilidad Para conocer qué tipo de acero se debe utilizar, existen diversas clasificaciones de aceros según normas internacionales. Los materiales comúnmente utilizados en ingeniería se pueden clasificar de la siguiente manera: * Materiales metálicos.- Aleaciones ferrosas, aleaciones no ferrosas. * Materiales no metálicos.- Plásticos, cerámicos, materiales compuestos. Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en aceros y fundiciones de hierro (hierros colados). Los aceros, dependiendo de su contenido de carbono y de otros elementos de aleación, se clasifican en aceros simples, aceros aleados y aceros de alta aleación. Los aceros simples, también llamados aceros dulces o aceros al carbono, son una aleación de hierro con carbono con un contenido de éste último en el rango de 0.02% hasta el 2% y con pequeñas cantidades de otros elementos que se consideran como impurezas tales como P, S, Mn, Cu, Si, etc. (Díaz del Castillo Rodríguez, 2008). Sus propiedades dependen de la cantidad de carbono que contenga. Este es un acero maleable, de alta resistencia y baja aleación, dúctil, soldable, maquinable y barato. Sus principales aplicaciones son en estructuras, elementos de máquinas (ejes, resortes, engranes, etc.), tornillos y herramientas de mano. Dentro de los aceros existentes, tanto estructurales como comerciales, los aceros al carbono se usan forjados o en laminación. Para crear láminas de acero se puede hacer mediante el proceso de laminación en frío o en caliente.. 70.

(71) El acero laminado en frío es más duro y resistente, tiene una terminación suave y gris, es más liviano, de mayor durabilidad al no estar dañado por el calor, y posee márgenes de tolerancia más precisos.. Las características que debe cumplir el acero, las cuales están determinadas por las condiciones requeridas para este proyecto, son: Resistir esfuerzos de fatiga Tener bajo costo y facilidad de disponibilidad, fabricación y mantenimiento Tener buena soldabilidad y Poder ser resistente a la corrosión Se determinó que el acero que mejor cumple dichas especificaciones es el acero ASTM A-366. La especificación ASTM A-366 incluye bobinas y láminas de acero al carbono laminado en frío, de calidad comercial. Este material se recomienda para piezas tanto expuestas como protegidas, donde pueden estar involucrados estampados, deformaciones moderadas y soldaduras (ASTM, 2006-2013). Su composición química es: 0.02% a 0.15% de carbono, 0.60% máximo de manganeso, 0.03% máximo de fósforo y 0.035% máximo de azufre. Dentro de sus propiedades mecánicas, tiene un esfuerzo de fluencia de 2 530 kg/cm2 (250 MPa, 36 ksi), un esfuerzo mínimo de ruptura en tensión de 4 080 kg/cm2 a 5 620 kg/cm2 (400 a 550 MPa, 58 a 80 ksi) y una dureza máxima de 60 HBR.. 3.2.2. DISEÑO DE LA MAQUETA Y SUS MECANISMOS. Para empezar, se realizó un esquema general de la maqueta en AutoCAD, tal como lo muestra la figura 30 y un plano con el diseño que se encuentra en el anexo #I.. 71.

(72) Figura 30. Esquema de la maqueta (incluido el motor eléctrico). Se eligió dicho diseño en base a criterios de facilidad de construcción, es decir que se buscó hacerla lo más práctica posible.. Los mecanismos y estructuras necesarias para lograr la funcionalidad de la maqueta fueron: Un mecanismo para modificar la longitud de la biela, la cual deberá tener 2 medidas establecidas con la finalidad de poder comparar el comportamiento del motor entre estos 2 valores escogidos. Un mecanismo para levantar el cilindro cuando se alargue la biela, con el fin de mantener la posición inicial en la carrera del pistón. Un medio para darle movimiento al cigüeñal y permitir el funcionamiento del motor. Un instrumento para medir manualmente el ángulo que gira el cigüeñal, el cual debe encajar en el eje del cigüeñal y estar fijo a éste para que gire junto con el mismo. Un instrumento para medir la variación en la posición del pistón mientras recorre su carrera.. 72.

(73) Una estructura que sirva como bancada del cigüeñal y bases para sostener todo el sistema.. 3.2.3. MECANISMO PARA LONGITUD DE BIELA VARIABLE. En base al diseño del mecanismo, el cual debe ser capaz de aumentar la longitud de la biela y mantenerla firme durante su funcionamiento, se realizó un corte en la biela y se necesitaron 2 placas de acero laminado en frío de especificación ASTM A-366 de 3 mm de espesor (debido a que debían ser lo suficientemente delgadas como para entrar en el perfil de la biela y lo suficientemente resistentes como para no deformarse), las cuales se limaron dándoles la forma interna del perfil de la biela, hasta obtener el acoplamiento buscado para ubicarlas a cada lado de la biela y así unir las 2 partes y mantener su firmeza.. Cada placa tiene 4 perforaciones de 3mm de diámetro, 2 fijas y 2 deslizantes tipo “ojo chino” con una diferencia de 5mm entre sus centros, tal como lo muestran las figuras 31 y 33, y el plano del anexo #II, con el fin de permitir la variación de la longitud de la biela en 2 posiciones, manteniendo fijo un extremo de la biela y dejando que el otro se pueda deslizar desde el extremo superior de la perforación deslizante (longitud original o mínima) al extremo inferior de la misma (longitud máxima). Para la sujeción se utilizaron 4 tornillos de 3mm de diámetro y tuercas. Se decidió que la longitud cambie en 5 mm ya que al ser menor no serían apreciables los cambios y si fuera mayor, el valor del factor λ resultaría más bajo, además de que la biela podría rozar con las paredes del cilindro.. 73.

(74) Figura 31. Esquema del mecanismo de longitud variable de la biela. Figura 32. Perforaciones en las placas y la biela para variar su longitud. 74.

(75) Figura 33. Mecanismo de longitud de biela variable. 3.2.4. ALTURA VARIABLE DEL CILINDRO. Considerando que, al aumentar la longitud de la biela también subirá la ubicación del PMS, se diseñó un mecanismo para subir 5mm la posición del cilindro cuando la biela sea también 5mm más larga. Para esto, tal como se ve en la figura 34, se colocaron 4 soportes hechos con tuercas en las bases de sujeción del cilindro, además de 4 aumentos de 5 mm que delimitan la altura que se debe variar.. Figura 34. Ubicación de soportes para altura variable del cilindro y esquema de las piezas de aumento 75.