UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL TABLERO NEUMÁTICO
PARA VARIAR PARÁMETROS DE SUSPENSIÓN
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
JONATHAN ANDRÉS PADILLA SOTO
DIRECTOR: Msc. LENIN VALENCIA
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1715284251
APELLIDO Y NOMBRES: Padilla Soto Jonathan Andrés DIRECCIÓN: Av. Enrique Garcés y Pasaje Rosa Pillajo
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 023453529
TELÉFONO MOVIL: 0984085470
DATOS DE LA OBRA TITULO:
Diseño y construcción del tablero neumático para variar parámetros de
suspensión
AUTOR O AUTORES: Padilla Soto Jonathan Andres FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN:
16 de Marzo del 2017
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Msc. Lenin Valencia
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: Este proyecto se basó en la construcción de un banco simulador de dos tipos de suspensión una McPherson y otra neumática por lo cual se diseñó una estructura que sujeta los componentes y un tablero neumático para su control se realizó un estudio de fuerzas en el bastidor con el programa SolidWorks donde se realizó la simulación aplicando una fuerza de 1425.21N obteniendo como resultado el máximo punto de elasticidad que fue de
4.70616 × 106Pa y un desplazamiento
máximo de 0.131892 mm determinando una deformación mínima por lo cual se determinó que el acero ideal para la construcción es el ASTM-A500. La suspensión mecánica que se utilizó dio como resultado un rendimiento de amortiguación de 63.2% en el eje izquierdo y 67.2% en el derecho, se utilizó el programa Fluidsim donde se diseñó el circuito neumático el cual consta de dos pulmones de simple efecto que trabajan a una presión de 0 a 8bar,
su conexión neumática ¼”, una electroválvula que trabaja a una presión de 1.5 a 8 bar y un voltaje de 10.8 a 13.2V, mediante el cálculo de caudal se obtuvo como resultado 17 𝑙
𝑚𝑖𝑛 que
permitió la selección de una manguera de 8mm; para comprobar el rendimiento de la suspensión neumática se realizó una prueba de amortiguación que dio como resultado 79.9% en el eje izquierdo y 89.5% en el derecho con una carga de 298 kg y una distancia entre el bastidor y el suelo de 550mm, para el control electrónico de la suspensión neumática se utilizó una placa Arduino, un sensor de presión de 10 bar que permitió determinar la presión del sistema y un sensor óptico de distancia que mide de 40 a 300 mm el cual permitió determinar la posición del pulmón para que estos datos se reflejen en la pantalla TFT.
PALABRAS CLAVES: Control electrónico, Circuito neumático, presión, electroválvula, sistema de suspensión.
ABSTRACT: This project was based on the
construction of a bench simulator of two types of suspension a McPherson and another pneumatic by which a structure was designed that holds the components and a pneumatic board for its control a study of forces in the frame with the Program where the simulation was performed applying a force of 1425.21N obtaining as a result the maximum point of elasticity that was of 4.70616 × 106Pa and a maximum
displacement of 0.131892 mm
determining a minimum deformation by which it was determined that the Ideal steel for construction is the ASTM-A500. The mechanical suspension
used resulted in a damping
connection ¼ ", a solenoid valve that works at a pressure of 1.5 to 8 bar and a voltage of 10.8 to 13.2V, by means of the calculation of flow was obtained 17 l / min that allowed the Selection of an 8mm hose; To test the performance of the air suspension, a damping test was performed, resulting in 79.9% on the left axle and 89.5% on the right with a load of 298 kg and a distance between the frame and the ground of 550mm for the Electronic control of the air suspension was used an Arduino plate, a pressure sensor of 10 bar that allowed to determine the pressure of the system and an optical sensor of distance that measures of 40 to 300 mm which allowed to determine the position of the lung so that these Reflected on the TFT screen.
KEYWORDS Electronic control, Pneumatic circuit, pressure, solenoid valve, suspension system
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, PADILLA SOTO JONATHAN ANDRÉS, CI 1715284251 autor del proyecto titulado: Diseño y construcción del tablero neumático para variar parámetros de suspensión previo a la obtención del título de INGENIERO AUTOMOTRIZ en la Universidad Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.
DECLARACIÓN
Yo JONATHAN ANDRÉS PADILLA SOTO, 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.
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño y Construcción de un tablero neumático para variar parámetros de suspensión”, que, para aspirar al título de INGENIERO AUTOMOTRIZ fue desarrollado por
JONATHAN ANDRES PADILLA SOTO, 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 19, 27 y 28.
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ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN 1
ABSTRACT 2
1. INTRODUCCIÓN 3
2. METODOLOGÍA 9
3. RESULTADOS Y DISCUSIONES 12
3.1. IDENTIFICACIÓN DE LOS COMPONENTES 12 3.2. SELECCIÓN DE LOS COMPONENTES 13 3.2.1. SELECCIÓN DE LA ELECTROVÁLVULA 13 3.2.2. SELECCIÓN DEL PULMÓN NEUMÁTICO 14 3.2.3. VOLUMEN DEL PULMÓN NEUMÁTICO 14 3.2.4. SELECCIÓN DEL COMPRESOR 18 3.2.5. SELECCIÓN DEL SENSOR DE DISTANCIA 19 3.2.6. SELECCIÓN DEL SENSOR DE PRESIÓN 19 3.2.7. ELEMENTOS MECÁNICOS 20 3.3. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA 21 3.3.1. DATOS SIMULACIÓN SOLIDWORKS 21 3.4. DISEÑO DEL CIRCUITO NEUMÁTICO 23 3.4.1. PRESIÓN DE EQUILIBRIO 25 3.5. DISEÑO DEL CONTROL ELECTRÓNICO 28 3.6. CONSTRUCCIÓN DEL BANCO Y TABLERO NEUMÁTICO 31 3.7. PRUEBAS DE CAMPO DEL SIMULADOR 41
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 48
4.1. CONCLUSIONES 48
4.2. RECOMENDACIONES 49
5. BIBLIOGRAFÍA 50
ii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Matriz de ponderación 12
Tabla 2. Rango de valoración 12
Tabla 3. Tabla de medidas el pulmón neumático 14
Tabla 4. Dimensiones de mangueras en función del caudal de aire 18
Tabla 5. Peso de los componentes del simulador 20
Tabla 6. Dimensiones nominales - especificaciones acero ASTM-A500 21
Tabla 7. Referencia de la estructura SolidWorks 22
Tabla 8. Resultados del análisis estático de esfuerzos – Von Moisés 22
Tabla 9. Análisis Estático – Desplazamiento 23
Tabla 10. Pesos y presiones de trabajo 27
Tabla 11. Masa objetos 42
Tabla 12. Funciones del simulador 43
Tabla 13. Datos suspensión McPherson 43
Tabla 14. Datos suspensión neumática (Desinflada) 45
Tabla 15. Datos de la suspensión neumática (inflado) 46
Tabla 16. Medición suspensión mecánica 47
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ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Esquema de Suspensión Neumática 6
Figura 2. Esquema de suspensiones 13
Figura 3. Electroválvula 5/3 13
Figura 4. Pulmones Neumáticos 14
Figura 5. Dimensiones Pulmón neumático 15
Figura 6. Compresor de aire 18
Figura 7. Sensor de distancia 19
Figura 8. Sensor de presión 19
Figura 9. Elementos mecánicos 20
Figura 10. Modelo de la estructura 21
Figura 11. Circuito Neumático de los pulmones 23
Figura 12. Ascenso de los fuelles neumáticos 23
Figura 13. Descenso de los fuelles neumáticos 24
Figura 14. Circuito eléctrico de pulsadores NA 24
Figura 15. Diagrama de Fuerzas en el eje posterior 25
Figura 16. Grafica Presión vs Fuerza 28
Figura 17. Placa Arduino 28
Figura 18. Módulo Bluetooth 28
Figura 19. Placa de relés 29
Figura 20. Pantalla TFT 29
Figura 21. Sensor de distancia 30
Figura 22. Sensor de presión 30
Figura 23. Circuito electrónico 31
Figura 24. Proceso de soldadura 31
Figura 25. Bastidor 32
Figura 26. Disposición de los componentes 32
Figura 27. Montaje de los componentes mecánicos y neumáticos 33
Figura 28. Suspensión McPherson y Neumática 33
Figura 29. Estructura pintada 34
Figura 30. Suspensión Neumática y Mecánica 34
Figura 31. Colocación de la tabla 35
Figura 32. Conexión Electroválvula 35
Figura 33. Conexión Pulmón Neumático 36
Figura 34. Construcción del Tablero Neumático 36
Figura 35. Tablero Neumático 37
Figura 36. Ubicación del Sensor de Distancia 37
Figura 37. Conexión del Sensor de Distancia 38
iv
Figura 39. Conexión del sensor de presión 38
Figura 40. Conexión de la placa de relees 39
Figura 41. Conexión de placas 39
Figura 42. Pantalla TFT3.2” en el Tablero 40
Figura 43. Tablero de control Neumático 40
Figura 44. Aplicación Smartphone 41
Figura 45. Banco de suspensión CVA 41
Figura 46. Medición de objetos/personas 42
Figura 47. Prueba suspensión McPherson 42
Figura 48. Resultado de las pruebas 43
Figura 49. Manejo de la aplicación 44
Figura 50. Prueba suspensión neumática 44
Figura 51. Resultado de la prueba (pulmón desinflado) 45
Figura 52. Resultado de la prueba 45
Figura 53. Resultado de la prueba (pulmón inflado) 46
Figura 54. Medición de los sensores 46
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ÍNDICE DE ANEXOS
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Anexo 1. Especificaciones del Pulmón neumático 53
Anexo 2. Especificaciones electroválvula 5/3 55
Anexo 3. Especificaciones del Acero ASTM A500 60
Anexo 4. Esquema Estructura (Bastidor) 62
Anexo 5. Código programación arduino 63
Anexo 6. Especificaciones Sensor de Presión 71
Anexo 7. Especificaciones Sensor de Distancia 75
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RESUMEN
Este proyecto se basó en la construcción de un banco simulador de dos tipos de suspensión una McPherson y otra neumática por lo cual se diseñó una estructura que sujeta los componentes y un tablero neumático para su control se realizó un estudio de fuerzas en el bastidor con el programa SolidWorks donde se realizó la simulación aplicando una fuerza de 1425.21N obteniendo como resultado el máximo punto de elasticidad que fue de 4.70616 × 106Pa y un desplazamiento máximo de 0.131892 mm determinando una deformación mínima por lo cual se determinó que el acero ideal para la construcción es el ASTM-A500. La suspensión mecánica que se utilizó dio como resultado un rendimiento de amortiguación de 63.2% en el eje izquierdo y 67.2% en el derecho, se utilizó el programa Fluidsim donde se diseñó el circuito neumático el cual consta de dos pulmones de simple efecto que trabajan a una presión de 0 a 8bar, su conexión neumática ¼”, una electroválvula que trabaja a una presión de 1.5 a 8 bar y un voltaje de 10.8 a 13.2V, mediante el cálculo de caudal se obtuvo como resultado 17 𝑙
𝑚𝑖𝑛 que permitió la selección de una
manguera de 8mm; para comprobar el rendimiento de la suspensión neumática se realizó una prueba de amortiguación que dio como resultado 79.9% en el eje izquierdo y 89.5% en el derecho con una carga de 298 kg y una distancia entre el bastidor y el suelo de 550mm, para el control electrónico de la suspensión neumática se utilizó una placa Arduino, un sensor de presión de 10 bar que permitió determinar la presión del sistema y un sensor óptico de distancia que mide de 40 a 300 mm el cual permitió determinar la posición del pulmón para que estos datos se reflejen en la pantalla TFT.
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ABSTRACT
This project was based on the construction of a bench simulator of two types of suspension a McPherson and another pneumatic by which a structure was designed that holds the components and a pneumatic board for its control a study of forces in the frame with the Program where the simulation was performed applying a force of 1425.21N obtaining as a result the maximum point of elasticity that was of 4.70616 × 106Pa and a maximum displacement of 0.131892 mm determining a minimum deformation by which it was determined that the Ideal steel for construction is the ASTM-A500. The mechanical suspension used resulted in a damping performance of 63.2% in the left axis and 67.2% in the right, using the Fluidsim program where the pneumatic circuit was designed which consists of two single-acting lungs that work at A pressure of 0 to 8 bar, its pneumatic connection ¼ ", a solenoid valve that works at a pressure of 1.5 to 8 bar and a voltage of 10.8 to 13.2V, by means of the calculation of flow was obtained 17 l / min that allowed the Selection of an 8mm hose; To test the performance of the air suspension, a damping test was performed, resulting in 79.9% on the left axle and 89.5% on the right with a load of 298 kg and a distance between the frame and the ground of 550mm for the Electronic control of the air suspension was used an Arduino plate, a pressure sensor of 10 bar that allowed to determine the pressure of the system and an optical sensor of distance that measures of 40 to 300 mm which allowed to determine the position of the lung so that these Reflected on the TFT screen.
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1. INTRODUCCIÓN
La falta de disponibilidad de un simulador de suspensión neumática el cual permita realizar pruebas de funcionamiento del sistema va a generar inconvenientes al momento que el sistema se introduzca a gran escala en la ciudad, el principal problema radica en la falta de desarrollo que tienen los talleres automotrices de la ciudad para tratar los inconvenientes que puede presentarse en dicho sistema a causa de las irregularidades y mal estado de las avenidas de la ciudad, debido al desconocimiento de la tecnología que interviene en la suspensión neumática no existe el interés sobre el funcionamiento del sistema y de sus componentes por lo cual los talleres no cuentan con un personal calificado. En la actualidad las necesidades del sistema de suspensión y el avance de la electrónica han llevado al desarrollo de complejos sistemas de control de la suspensión para ir mejorando la eficiencia, seguridad y confort del automóvil; uno de los principales sistemas de control es el neumático. Cuando se habla de suspensión neumática no solo se refiere a equipo pesado o autobuses, este sistema es una realidad en distintos vehículos livianos remplazando a diferentes suspensiones que han quedado en el pasado, que cuyo fin es la seguridad para los ocupantes del vehículo obteniendo un mejor control de las ruedas del automóvil en contacto con el suelo. Para lograr el estudio del funcionamiento adecuado del sistema mencionado se deberá cumplir objetivo general el cual consiste en diseñar y construir un tablero neumático para variar parámetros de suspensión es importante el desarrollo del proyecto ya que facilitará realizar simulaciones y entender el trabajo de la suspensión, obteniendo respuestas y comparaciones entre la suspensión mecánica y la suspensión neumática que con el paso del tiempo llegara al país, gracias a la elaboración del simulador existirá un interés por la suspensión neumática, es esencial que se genere una cultura de investigación para los diferentes componentes del sistema ya que la tecnología avanza día a día; el tablero neumático permitirá que se determine datos importantes lo cual ayudará a satisfacer dudas sobre la suspensión neumática, determinar las ventajas y desventajas gracias a la información que se obtendrá.
Para cumplir el objetivo general los objetivos específicos a cumplir son: Identificar y seleccionar los diferentes componentes de una suspensión mecánica para la construcción de un banco de pruebas.
4 Implementar el sistema neumático y electrónico que pueda variar condiciones de trabajo de la suspensión neumática ofreciendo diferentes características de funcionamiento.
Realizar pruebas de funcionamiento para la puesta a punto del banco de pruebas.
El Sistema de Suspensión es el conjunto de elementos flexibles y resistentes que soportan todas las cargas a las cuales son sometidos, ayudan absorber todas las vibraciones que son causadas por las irregularidades del terreno, mejorando la comodidad y seguridad de los ocupantes teniendo un control óptimo de la ruedas del vehículo y una suspensión blanda (Mecánica Automotriz, 2013).
Está ubicada entre el bastidor y el eje de las ruedas siendo así un sistema elástico el cual se deformará con el peso del vehículo por la inercia del mismo que se elevara y también descenderá según las irregularidades del terreno (Mecánica Automotriz, 2013).
Los diferentes componentes de la suspensión son: Ballestas.
Muelles.
Barra de Torsión y estabilizadora. Trapecios o brazos de suspensión. Amortiguadores (Hernando, 2009).
La suspensión McPherson es uno de los sistema más utilizados en los vehículos en la parte delantera y posterior su acogida se debe a su sencillez de fabricación, su valor de producción, su mantenimiento y por el poco espacio que ocupa (Galindo, 2015).
5 flexibilidad, elasticidad donde se encuentra aire el cual se ocupa en los pulmones al momento de la amortiguación (Beltran & Salomon, 2014). Los pulmones necesitan una cierta cantidad de aire para poder alimentarlo gracias a una instalación de aire, este tipo de suspensión usan los vehículos los cuales ya disponen de esta instalación para los frenos (Beltran & Salomon, 2014).
La principal característica del sistema es la flexibilidad variable, se adapta dispositivos los cuales se encargan de mantener la misma distancia de la carrocería al suelo, este el vehículo cargado o vacío (Beltran & Salomon, 2014).
El pulmón neumático es un elemento mecánico que contiene aire para luego distribuir a cierta presión y dirección, es un contenedor deformable tiene un orificio para la entrada y salida de aire. (Beltran & Salomon, 2014).
El control de presión y la cantidad de aire para cada pulmón es controlado por válvulas reguladoras, el sistema es alimentado por un compresor el aire comprimido va por unos conductos hacia los pulmones neumáticos de cada uno de las ruedas (Beltran & Salomon, 2014).
En la suspensión neumática controlada electrónicamente, existe numerosos tipos de control los cuales supervisan parámetros como (Beltran & Salomon, 2014):
Carga.
Altura de la carrocería.
Dureza de la amortiguación variable.
La carga que existe en los ejes del vehículo tiene que ver con el motor y el equipo instalado para asegurar la altura de la carrocería que ayuda la dinámica de conducción, la variación de dureza de los amortiguadores se realizan por electroválvulas y gracias a sensores se puede determinar la posición (Beltran & Salomon, 2014).
Por las irregularidades del terreno y la rueda se eleva el pulmón se comprime por efecto de la membrana la cual funciona con el pulmón esto produce mayor presión dentro del pulmón para que regrese a su forma inicial después de haber pasado la irregularidad manteniendo una altura correcta de la carrocería (Beltran & Salomon, 2014).
6 se muestra en la figura 1 el esquema de la suspensión neumática (Beltran & Salomon, 2014).
Las partes del sistema son (Beltran & Salomon, 2014): 1.Grupo de propulsión.
2.Compresor. 3.Pulmón de aire. 4.Válvula.
5.Control electrónico. 6.Membrana.
7.Sensor de posición.
Figura 1. Esquema de Suspensión Neumática (Beltran & Salomon, 2014)
El pulmón por el peso del vehículo se comprime esto provoca que haya una suspensión más dura, la unidad de control va a recibir una señal de la disminución de altura que es enviada por el sensor de posición y automáticamente la electroválvula permite el paso de aire al pulmón para que este se eleve y regule la altura (Beltran & Salomon, 2014).
El control de la válvula permite tener una señal de la variación de temperatura (lo que producirá variación de volumen de aire en el pulmón) y cualquier variación de la carga por lo que la flexibilidad de la suspensión es variable (Beltran & Salomon, 2014).
7 la válvula para que el aire salga del pulmón y disminuya la altura de la carrocería hasta que exista la adecuada (Beltran & Salomon, 2014).
La diferencia entre las suspensiones es que la suspensión mecánica tiene rigidez constante, mientras que la rigidez de la neumática es variable de tal manera que cuando se aumenta la carga también la rigidez.
La rigidez es menor cuando la carga es baja y a la inversa, así es el funcionamiento de la suspensión neumática se basa en la compresión de un pulmón neumático que contiene aire (Luque, Alvarez, & Vera, 2008).
La principal característica en relación entre fuerza y desplazamiento de la suspensión neumática es que la rigidez es mayor cuando aumenta la carga, la suspensión neumática se define fundamentalmente en el hecho de utilizar aire en el sistema de suspensión ya que los pulmones neumáticos no tiene una respuesta lineal entre la deformación que sufren y soportan (Luque, Alvarez, & Vera, 2008).
La regulación de la carrocería puede ser de cinco tipos: Modo Automatic: Después de los 120 km/h después de 30 segundos existe un descenso para la autopista de 25 mm, gracias a este nivel bajo mejora las condiciones aerodinámicas y reduce el consumo del combustible (Luque, Alvarez, & Vera, 2008). Modo Dynamic: El nivel del vehículo se encuentra en 20 mm por debajo del modo automatic a partir de una velocidad de 120 km/h se produce descenso de 5mm (Luque, Alvarez, & Vera, 2008). Modo confort: La amortiguación se basa en el confort cuando existe velocidades bajas (Luque, Alvarez, & Vera, 2008). Modo lift: Este modo se puede seleccionar a una velocidad inferior a los 80 km/h (Luque, Alvarez, & Vera, 2008).
Los sistemas neumáticos utilizan el aire u otro gas para transmitir potencia o señales, la tecnología de la neumática se ocupa en el uso de aire comprimido en la automatización industrial. Transforman la energía del aire comprimido en energía mecánica existe un gran campo de aplicación por la velocidad de reacción de los actuadores y no necesitar un circuito de retorno de aire (Peña, Díaz, & Cepeda, 2013).
La automatización Neumática; gracias a la neumática la suspensión se mantiene de forma constante el nivel de la carrocería según las necesidades del conductor, esto se puede realizar gracias a las electroválvulas y utilizando un compresor de aire (Beltran & Salomon, 2014).
8 Período de presurización, los pulmones son cargados de aire y se abren las electroválvulas correspondientes a los ejes, el compresor alimenta por medio de la válvula abierta, si el vehículo se encuentra lateralmente desigual las electroválvulas se abren individualmente y se iguala la posición (Morales & Pomaquero, 2011).
Período de despresurización las electroválvulas de descarga se abren y el caudal de aire abandona el sistema a través de la válvula de descarga (Morales & Pomaquero, 2011).
Prestaciones de la suspensión neumática permite adaptar la carrocería en diferentes alturas según las necesidades de la marcha. Adapta la suspensión y la amortiguación a las irregularidades del terreno y a la forma de conducir; la principal característica de la suspensión es su elevada flexibilidad, una capacidad excelente de amortiguación de las vibraciones y gracias a la autorregulación del sistema permite mantener de manera constante la distancia del bastidor y la superficie de la carretera independientemente de la carga del vehículo (Beltran & Salomon, 2014).
La electrónica es muy importante en los sistemas del vehículo ya que nos permite tener un control más sofisticado, para el control de la suspensión neumática implica pulsadores, una unidad de control, sensores los cuales van ayudar al sistema. El sistema de control de la parte electrónica se puede desarrollar por algunos elementos electrónicos entre ellos:
Arduino es una plataforma electrónica que se basa en una programación de código abierto con software y hardware fáciles de usar el arduino son capaces de leer entradas, de luz en un sensor, señales de pulsadores lo que permite que se convierta en salidas para que lleguen las instrucciones al micro controlador del tablero, los sensores de presión y de distancia los cuales van ayudar a generar una información para el programa, se ayuda por una placa de relés la principal función es recibir los datos y energizar en HIGH o LOW las bobinas. (Arduino - home, s.f)
9
2. METODOLOGÍA
Para alcanzar el propósito de este trabajo como primer punto es necesario conocer todo lo que implica el diseñar y construir un tablero neumático para variar parámetros de suspensión; se procederá a la selección de los componentes, el diseño de la estructura del simulador para la posterior construcción del tablero neumático.
Se seleccionó los elementos para la suspensión neumática 2 pulmones neumáticos, una electroválvula 5/3, un compresor, un sensor de distancia y de presión.
Para la obtención del volumen del pulmón se utilizó la ecuación de volumen de un barril y de un cilindro:
𝑉1 = 𝜋
12ℎ1(2∅𝑒
2+ ∅
𝑖
2) [1]
Donde:
Diámetro interno del pulmón:∅𝑖
Diámetro externo del pulmón: ∅𝑒
Altura del lóbulo: h1
Posteriormente para obtener el volumen total del pulmón sin la entrada de aire se utilizó la ecuación:
𝑉𝑇 = 𝑉1 + 𝑉2 + 𝑉3 − 𝑉4 [2]
La ecuación de un cilindro permitió determinar el volumen total cuando el pulmón está trabajando.
𝑉𝑡 = 𝜋 × 𝑟2× ℎ𝑚𝑎𝑥 [3] Donde:
Vt: volumen total
r: radio máximo en funcionamiento hmax: altura máxima de funcionamiento
Para la selección de la manguera que se utilizó en el sistema se obtuvo el caudal con ese resultado se pudo seleccionar el diámetro de la manguera basándonos en la tabla 4 se utilizó la siguiente ecuación.
𝑄 =𝑣𝑡
10 Donde:
Vt: Volumen total del pulmón neumático Q: Caudal del pulmón
t: Tiempo
Se seleccionó los elementos mecánicos de un automóvil liviano para el montaje de la suspensión McPherson, una vez que se seleccionó los componentes se obtuvo los pesos de cada uno de los elementos.
Para el diseño de la estructura se utilizó el software solidworks, se determinó el material que se usó en la construcción de la estructura metálica del banco en este caso se asumió el acero ASTM-A500 las especificaciones del acero que obtuvo de la tabla 6, estableciendo la longitud y el espesor de la misma. Se procedió a realizar las simulaciones en el programa solidworks para determinar que esfuerzos va a soportar el material escogido, los pesos se seleccionaron de la tabla 5.
Se diseñó el circuito neumático en el programa fluidsim usando los componentes seleccionados para su simulación y control de su funcionamiento.
Una vez obtenido el peso del banco se calculó la presión de equilibrio de trabajo donde se utilizó las siguientes ecuaciones:
𝑃𝑒𝑠𝑜 (𝑃) = 𝑃𝑐 + 𝑃𝑝 + 𝑃𝑡 [5] Donde:
P: Peso
Pc: Peso total del chasis Pp: Peso del operario Pt: Peso tablero La presión Equilibrio
𝑃𝑒 = 𝐹𝑇
2𝐴 [6]
Donde:
𝑃𝑒: Presión equilibrio F: Fuerza ejercida A: Área mínima
11 se pudo controlar con el programa Arduino con el fin de automatizar el sistema neumático.
12
3. RESULTADOS Y DISCUSIONES
3.1. IDENTIFICACIÓN DE LOS COMPONENTES
Se identificó los componentes mecánicos realizando una matriz de ponderación donde se analiza por grado de importancia parámetros tales como disponibilidad, precio, tamaño, peso y se determina mediante una suma matemática de acuerdo al más alto porcentaje. Como se puede observar en la tabla 1 y 2.
Tabla 1. Matriz de ponderación Parámetros Elementos Marca Disponibilidad 35% Precio 30% Tamaño 20% Peso 15% Total 100% Amortiguador (Resortes y Torres)
Fiat uno 3 35% 3 30% 3 20% 2 10% 95% Corsa 1.8 3 35% 2 20% 2 13.3% 2 10% 78.3% Kia Picanto 3 35% 1 10% 2 13.3% 2 10% 48.3% Conjunto
montante (Rodamiento y manzana, discos)
Fiat uno 3 35% 3 30% 3 20% 2 10% 95% Corsa 1.8 3 35% 2 20% 2 13.3% 2 10% 78.3% Kia Picanto 3 35% 1 10% 2 13.3% 2 10% 48.3% Conjunto de
suspensión (Brazos, barra estabilizadora)
Fiat uno 3 35% 3 30% 3 20% 2 10% 95% Corsa 1.8 3 35% 2 20% 2 13.3% 2 10% 78.3% Kia Picanto 3 35% 1 10% 2 13.3% 2 10% 48.3%
Tabla 2. Rango de valoración
Bueno 3
Moderado 2
Malo 1
Altamente factible 81 - 100 Moderadamente factible 41 - 80 Poco factible 1 - 40
13
3.2. SELECCIÓN DE LOS COMPONENTES
Para la selección de los componentes del simulador se tomó en cuenta los principales elementos que intervienen en la suspensión neumática y mecánica como se muestra en la figura 2. El sistema neumático se ubicará en la parte posterior y en la delantera el sistema mecánico para obtener una mejor disposición de los componentes se tomó de referencia la forma de un vehículo de cuatro ruedas para que en las pruebas exista un mejor análisis ya que va a tener una mayor estabilidad al momento de colocar cargas en el bastidor.
Figura 2. Esquema de suspensiones (Diaz, 2012)
3.2.1. SELECCIÓN DE LA ELECTROVÁLVULA
La electroválvula que se utilizará en el sistema como se pude ver en la figura 3 tiene las siguientes características:
Figura 3. Electroválvula 5/3 Electroválvula 5/3 – 1/4 ´.
Modelo 4V230C-08.
Presión 1.5 ~ 8 Bar.
DC 12v -2.5W.
14
3.2.2. SELECCIÓN DEL PULMÓN NEUMÁTICO
Los pulmones neumáticos que se va a utilizar en el sistema se muestran en la figura 4 tienen las siguientes características:
Figura 4. Pulmones Neumáticos
Apropiados para la utilización en condiciones ambientales difíciles y polvorientas.
Apropiados para utilizar bajo el agua.
Amplio margen de fuerzas hasta 50 KN.
Montaje en espacios de poca altura.
No precisan mantenimiento.
Presión de funcionamiento 0-8 bar.
Temperatura ambiente -40 hasta + 70 ºC.
Conexión neumática G1/4.
Modo de funcionamiento de simple efecto.
3.2.3. VOLUMEN DEL PULMÓN NEUMÁTICO
En la tabla 3 se observa las dimensiones del pulmón neumático; estos datos permitirán determinar el volumen.
Tabla 3. Tabla de medidas el pulmón neumático Descripción Medida (mm) Diámetro interno del pulmón (∅𝑖) 102 Diámetro externo del pulmón (∅𝑒) 146.4
Altura del lóbulo (h1) 52 Altura total (ht) 111 Diámetro del vástago (Dv) 3 Altura del segmento del vástago (hv) 111
15 Para obtener el volumen total del pulmón neumático se toma en cuenta la figura 5 donde se observa que se divide en 4 partes, para obtener el volumen total del pulmón sin entrada de aire utilizará la ecuación 2.
Figura 5. Dimensiones Pulmón neumático (Narváez & Pomaquero, 2011)
𝑉𝑇 = 𝑉1 + 𝑉2 + 𝑉3 − 𝑉4
Obtener el volumen del pulmón neumático se utilizará la ecuación 1 ya que tiene una forma de barril:
𝑉1 = 𝜋
12ℎ1(2∅𝑒
2+ ∅
𝑖 2)
Donde:
Diámetro interno del pulmón:∅𝑖
Diámetro externo del pulmón: ∅𝑒
Altura del lóbulo: h1 Datos:
∅𝑖= 102 mm
16
𝑉1 = 𝜋
1252(2( 146.4)
2+ 1022)
𝑉1 ≅725193.6𝑚𝑚3 = 725.1936𝑐𝑚3
La parte 1 es igual a la parte 2, entonces V1 = V2 V1 = V2 = 725193.6𝑚𝑚3
El volumen en la parte 3 se encuentra comprendido entre la parte 1 y 2, su altura es de 0.7 mm y el diámetro interno de pulmón, donde se utiliza la ecuación de volumen de un cilindro.
Datos:
∅𝑖= 102 mm h= 0.7 mm.
𝑉3 ≅ 𝜋 4∅𝑖
2
ℎ
𝑉3 ≅ (𝜋 4102
2) (0.7)
𝑉3 ≅ 5720 𝑚𝑚3 = 5.72 𝑐𝑚3
En la parte 4, la forma del segmento del vástago es cilíndrica y se aplicará la siguiente ecuación:
Datos:
∅v= 3 mm.
hv = 111 cm
V4 ≅ π 4∅v
2
hv
V4 ≅ π
4(3)
2 (111)
V4 ≅ 785 mm3 = 0.785 cm3
Una vez terminado el cálculos de todos los volúmenes se procede a calcular el volumen total, tomando en cuenta que el V1=V2 y se utiliza la ecuación 2.
VT = 2V1 + V3 − V4
VT = (2(725193.6) + 5720 − 785)mm3
VT = 1455322 mm3 = 1455 cm3
17 Donde:
𝑉𝑡 = 𝜋 × 𝑟2× ℎ𝑚𝑎𝑥
Vt: volumen total.
r: radio máximo en funcionamiento. Hmax: altura máxima de funcionamiento. Datos:
r = 73.2 cm. hmax = 230 cm.
𝑉𝑡 = 𝜋 × 73.2𝑐𝑚 2× 230𝑐𝑚
𝑉𝑡 = 38716.83 𝑚𝑚3
𝑉𝑡 = 3871.68 𝑐𝑚3
Una vez determinado el volumen total se puede obtener el caudal de aire que infle al pulmón neumático en un tiempo determinado, en este caso el tiempo de inflado es de 5 segundos, para ello se utiliza la ecuación 4.
𝑄 =𝑣𝑡 𝑡
Donde:
Vt = Volumen total del pulmón neumático. Q = Caudal del pulmón.
t = Tiempo.
𝑄 =1455𝑐𝑚
3
5 𝑠𝑒𝑔
Q = 291 𝑐𝑚
3
seg
Q = 0.017 𝑚
3
min
Q = 17 𝑙 𝑚𝑖𝑛
18
Tabla 4. Dimensiones de mangueras en función del caudal de aire Consumo de aire
Medidas recomendadas Cfm 𝑚3/min
0 - 20 0 – 0.57
5/16" (8mm) para long. Hasta 10 ft (3m). 3/8" (9.5 mm) para long. Hasta 25 ft (7.5 m). 1/2" (12.5 mm) para long. Hasta 50 ft (15 m).
20 - 30 0.57 – 0.85
3/8" (9.5 mm) para long. Hasta 25 ft (7.5 m). 1/2" (12.5 mm) para long. Hasta 50 ft (15 m).
30 - 40 0.85 – 1.13 3/8" (9.5 mm) para long. Hasta 25 ft (7.5 m). 1/2" (12.5 mm) para long. Hasta 50 ft (15 m).
40 - 50 1.13 – 1.42
1/2" (12.5 mm) para long. Hasta 50 ft (15 m). 3/4" (19 o 20 mm) para long. Hasta 50 ft (15m).
50 - 60 1.42 – 1.70 1/2" (12.5 mm) para long. Hasta 50 ft (15 m). 3/4" (19 o 20 mm) para long. Hasta 50 ft (15m).
60 - 70 1.70 - 2 1/2" (12.5 mm) para long. Hasta 50 ft (15 m). 3/4" (19 o 20 mm) para long. Hasta 50 ft (15m). 70 - 80 2 – 2.27 3/4" (19 o 20 mm) para long. Hasta 50 ft (15m).
80 - 90 2.27 – 2.55 3/4" (19 o 20 mm) para long. Hasta 50 ft (15m). 1" (25 mm) para long. Hasta 50 ft (15 m).
90 - 100 2.55 – 2.83 3/4" (19 o 20 mm) para long. Hasta 50 ft (15m). 1" (25 mm) para long. Hasta 50 ft (15 m). (Narváez & Pomaquero, 2011)
3.2.4. SELECCIÓN DEL COMPRESOR
Para la selección del compresor se tendrá en cuenta la presión de trabajo del pulmón neumático, para el sistema neumático se utilizará el compresor de aire como se muestra en la figura 6 ubicado en el Taller Automotriz de la Universidad Tecnológica Equinoccial. Este compresor es ideal para el sistema, debido a que cumple con las necesidades de los componentes neumáticos, trabaja a una presión de 90 PSI ≈ 6 Bar.
19
3.2.5. SELECCIÓN DEL SENSOR DE DISTANCIA
Una vez que se obtuvo como resultado las dimensiones del pulmón neumático se determinó el sensor de distancia como se muestra en la figura 7 sus características son:
Sensor de distancia GP2Y0A41SK0F
Rango de medición de 4cm a 30cm estables
Voltaje de alimentación digital de 3.3V a 5V
Salida de voltaje analógica de 0V a el valor de la fuente de alimentación
Figura 7. Sensor de distancia
3.2.6. SELECCIÓN DEL SENSOR DE PRESIÓN
Se determinó el sensor de presión tomando en cuenta la presión máxima de los componentes neumáticos como se muestra en la figura 8 el sensor tiene las siguientes características:
Sensor de presión MPX5999D de 0 a 1000KPa (0 a 10 bar)
Alimentación digital desde 3.3V a 5V
Salida analógica de 0V al valor de la fuente de alimentación
Sensor de tipo diferencial
20
3.2.7. ELEMENTOS MECÁNICOS
En el sistema de suspensión McPherson los elementos que se utilizarán en el banco de pruebas son de una suspensión mecánica de un automóvil como se muestra en la figura 9 en la tabla 5 donde se detalla los pesos de cada uno de los elementos del banco estos datos ayudarán para la selección de los pesos para la simulación.
Figura 9. Elementos mecánicos Tabla 5. Peso de los componentes del simulador
Componente Cantidad Peso (lb)
Total (lb)
Tablero 1 22 22
Amortiguadores (Resorte y Torres)
2 15 30
Manzana(eje posterior) 2 4 8 Eje posterior 1 12 12 Conjunto montante
(rodamiento y manzana)
2 10 20
Pulmones (fuelles neumáticos)
2 4 8
Ballestas 2 5 10
Conjunto de suspensión (Brazos, barra estabilizadora)
1 8 8
Discos de freno 4 7.5 30
Bastidor - - 93.61
21
3.3. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA
En el programa Solidworks se analizó la estructura del banco el cual tendrá la función del bastidor como se muestra en la figura 10.
Figura 10. Modelo de la estructura
Las dimensiones de la estructura es de (2100 x 1000) mm, el material que se utilizó en la estructura es acero ASTM-A500 de perfil cuadrado con los datos que se muestran en la tabla 6:
Tabla 6. Dimensiones nominales - especificaciones acero ASTM-A500
(CINTAC, 2007)
3.3.1. DATOS SIMULACIÓN SOLIDWORKS
Después de realizar el modelo del bastidor e identificar el acero que se utilizará y con los pesos de los componentes se procede a realizar las simulaciones en el programa SolidWorks aplicando los respectivos pesos en los elementos mecánicos y neumáticos. El peso que se toma en cuenta son todos los que se encuentran sobre los neumáticos como:
El tablero, peso del operario y el peso de los elementos mecánicos para efecto de cálculo se va a tomar el peso de una persona promedio el máximo peso ideal de un hombre es de 108.06 kg con una estatura de 2.06 metros y el de la mujer es de 101.67 kg a una estatura de 2.06 metros, se realiza la sumatoria
Lado (mm) 50
Espesor(mm) 3
Módulo de elasticidad ( E ) 29.001547× 106 PSI
Módulo de fluencia del material ( Sy) 46.000 PSI Esfuerzo permisible 18.000 PSI
Área 0.237 𝑖𝑛2
22 de pesos con los datos de la tabla 5 y el peso calculado es de 145.33 kg = 1425.21 N y se procede a realizar la simulación, como se muestra en la tabla 7 la referencia de las estructura en SolidWorks.
Tabla 7. Referencia de la estructura SolidWorks Nombre Acero aleado
Límite elástico
6.20422 × 108 N
m2
Límite de tracción
7.23826 × 108 N
m2
Módulo elástico
2.1 × 1011 N
m2
Coeficiente de Poisson
0.28
Densidad
2.1 × 1011 N
m2
Módulo cortante
7.9 × 1010 N
m2
Los datos obtenidos en la simulación son: Masa:150.85 kg
Volumen: 0.0195909 𝑚3
Densidad: 7700 𝑚𝑘𝑔3 Peso: 1478.33 N
En la simulación elástica estática que se realizó en la estructura se aplicó una fuerza de 1424.23 N, los valores que se obtuvo como resultado en la simulación elástica de Von Moisés se puede observar en la tabla 8 donde muestran los valores mínimos y máximos de los esfuerzos de la simulación.
Tabla 8. Resultados del análisis estático de esfuerzos – Von Moisés
El análisis estático – desplazamiento se realizó aplicando la misma fuerza de 1424.23 N, los valores que dio como resultado en la simulación estático – desplazamiento podemos observar en la tabla 9 donde muestran los valores mínimos y máximos de la simulación.
Nombre Tipo Min Máx.
Tensiones Von Moisés 447.264𝑁
𝑚2 4.70616 × 106
23
Tabla 9. Análisis Estático – Desplazamiento
3.4. DISEÑO DEL CIRCUITO NEUMÁTICO
El diseño en fluidsim permitió realizar simulaciones del circuito para poder conocer su funcionamiento, el cambio de posición de las electroválvulas y el momento que el actuador se acciona. El sistema consta de dos pulmones neumáticos, una electroválvula de 5/3 la cual se encargará de controlar las posiciones de los pulmones en el circuito se utilizará una electroválvula para el control, también silenciadores con control de flujo para el retorno del fuelle como se puede observar en la figura 11.
Figura 11.Circuito Neumático de los pulmones
En la figura 12 se puede observar el accionamiento de la electroválvula 5/3 que permite el paso del aire para que los dos pulmones neumáticos puedan ascender.
Figura 12.Ascenso de los fuelles neumáticos
4 2
5
1 3
A+
A-Nombre Tipo Min Máx.
24 En la figura 13 se puede observar el accionamiento de la electroválvula 5/3 que permite accionar el retorno para que el pulmón pueda descender gracias al silenciador con control de flujo el retorno no va hacer brusco.
Figura 13. Descenso de los fuelles neumáticos
Se realizó una conexión de los pulsadores en la bobina de la electroválvula y poder accionar el acenso y el descenso del pulmón los dos pulsadores deben ser normalmente abiertos (NA), como se puede observar la figura 14.
25
3.4.1. PRESIÓN DE EQUILIBRIO
Para obtener la presión de equilibrio se determinó que elementos se utilizó en la construcción del banco con su respectivo peso y conocer cuáles de ellos se utiliza en el cálculo nos vamos a guiar en la tabla 5 donde se detalla los pesos del banco.
Para el peso que se va a utilizar se toma en cuenta todos los pesos que se encuentran sobre los neumáticos como: bastidor, tablero y peso del operario para efecto de cálculo se va a tomar el peso de una persona promedio el máximo peso ideal de un hombre es de 108,06 kg con una estatura de 2,06 se toma el máximo para realizar los cálculos para ello se tomara en cuenta la ecuación 6.
𝑃𝑒𝑠𝑜 (𝑃) = 𝑃𝑐 + 𝑃𝑝 + 𝑃𝑡
P: Peso.
Pc: Peso total del chasis. Pp: Peso del operario. Pt: Peso tablero.
Peso total del chasis = 93.61 lb = 42.55 kg Peso del operario = 237.95 lb = 108.16 kg Peso tablero = 22 lb = 10 kg
P= 160.71 kg
En la figura 15 se muestra el diagrama de fuerzas de la parte posterior del banco de pruebas, para el cálculo para la obtención de la presión de equilibrio se utilizará la ecuación 7.
26
𝐹𝑇= 2𝐹𝐴 𝐹𝐴 = 𝐹𝑇 2 𝐹𝐴= 𝑃𝑒× 𝐴 Se iguala: 𝐹𝐴= 𝐹𝐴 𝐹𝑇
2 = 𝑃𝑒× 𝐴
Entonces:
𝑃𝑒 =
𝐹𝑇 2𝐴
𝑃𝑒: 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑙𝑖𝑏𝑟𝑖𝑜
F: Fuerza ejercida A: Área mínima Como datos se tiene: F: 160.71 kg
El espacio que se dispone es de 14.5 cm pero para el cálculo se utiliza un espacio de 10,8 cm que por motivos de seguridad del pulmón neumático para evitar fricción, dicho espacio se asume como el diámetro para el cálculo. Diámetro:∅ = 10.8 = cm: 4.25 in
A = 𝜋∅
2
4
Se calcula el área:
A = 𝜋(4.25 𝑖𝑛)2
4 = 14.186 𝑖𝑛 2
A = 14.186 𝑖𝑛2 = 0.0091522 𝑚2
Entonces:
Pe =
27
Pe = 8779.85
𝑘𝑔 𝑚2
Pe = 8779.85 𝑘𝑔
𝑚2 × 9.8
𝑚 𝑠2
Pe =86042.59 Pa {𝑁
𝑚2}
Pe = 0.86 bar × 2 = 1.72bar
Para calcular la fuerza estándar del sistema se determinó la presión estándar del sistema neumático en este caso es de 6 bar.
Entonces:
𝐹𝑠: Fuerza estándar
𝑃𝑠: Presión estándar
A= 0.0091522 𝑚2
𝑃𝑠 = 6 bar = 600000 Pa{𝑁
𝑚2}.
𝐹𝑠 = 𝑃𝑠 × 𝐴
𝐹𝑠 = 600000 Pa {𝑁
𝑚2} × 0.0091522 𝑚2
𝐹𝑠 = 5491.32 𝑁 = 560.34 𝐾𝑔
La fuerza estándar que se obtuvo como resultado es 560.34 kg indica que el sistema va a trabajar sin ningún tipo de problema y no va existir movimientos bruscos del pulmón neumático, existe diferentes presiones lo que indica que el banco va a levantar hasta 4 personas trabajando con la presión estándar que es de 6 bar como se puede observar en la tabla 10.
Tabla 10. Pesos y presiones de trabajo Número de
personas
Kg N Pa Bar
1 160.71 1574.95 172084.30 1.72
2 268.87 2634.92 287900.17 2.88
3 377.03 3694.89 403716.04 4.04
4 485.19 4754.86 519531.91 5.19
28 En la figura 16 se observa que al aumentar el número de personas la presión del sistema se incrementa.
Figura 16. Grafica Presión vs Fuerza
3.5. DISEÑO DEL CONTROL ELECTRÓNICO
Para el control electrónico se utilizó la placa Arduino mega 2560 su voltaje de entrada es de 7 a 12V y transforma a un voltaje de 5V está compuesto por 54 pines los cuales funcionan como entradas y salidas; 17 entradas análogas como se muestra en la figura 17, esta placa permite controlar la entrada y salida de aire de los pulmones neumáticos.
Figura 17. Placa Arduino
La comunicación del computador al Ardruino se realiza por un cable USB como se utiliza en las impresoras, también se va utilizar un módulo bluetooth como se muestra en la figura 18 para poder controlar el sistema desde un Smartphone.
Figura 18. Módulo Bluetooth
1 2 3 4 5
Kg 160,71 268,87 377,03 485,19 593,35 N 1574,95 2634,92 3694,89 4754,86 5814,83 Pa 172084,3 287900,17 403716,04 519531,91 635347,78
Bar 1,72 2,88 4,04 5,19 6,35
29 La codificación del sistema consiste en ingresar parámetros al programa para que este envíe las señales a la placa Arduino y procese la información y transmita al bloque de relés como se muestra en la figura 19 estos accionarán la electroválvula para las posiciones que se requiera la energización HIGH va hacer que los relees se enciendan y permitan la entrada de aire al pulmón y LOW para que descienda el pulmón.
Figura 19. Placa de relés
Se utilizará una pantalla TFT 3.2” como se muestra en la figura 20 se ubicará en el tablero neumático la cual permitirá ver la presión que existe en el sistema y diferentes datos los cuales van ser emitidos por la placa Arduino.
Figura 20. Pantalla TFT
30 que el sensor pueda medir la distancia en la que se encuentra el pulmón al momento que este ascienda o descienda sin importar la posición.
Figura 21. Sensor de distancia
El sensor de presión MPX5999D que se muestra en la figura 22 permite medir la presión que tiene el sistema y va a enviar señales a la placa Arduino y posteriormente se refleje en la TFT 3.2”.
Figura 22. Sensor de presión
31 esto permitirá que refleje en la pantalla TFT las señales enviadas de los sensores a la placa.
Figura 23. Circuito electrónico
3.6. CONSTRUCCIÓN DEL BANCO Y TABLERO NEUMÁTICO
Se procedió a la selección del material para la construcción del bastidor, se realizó el proceso de construcción tomando en cuenta el diseño que se hizo en el software SolidWorks, como se muestra en la figura 24 se realizó el proceso de soldadura de arco eléctrico para la unión de tubos cuadrados dando puntos suelda y así poder dar forma al bastidor.
32 Una vez terminado el proceso de soldadura se comprobó la forma y las medidas del bastidor para después poder realizar los cordones de suelda y poder asegurar la estructura metálica como se muestra en la figura 25 el bastidor y los puntos de suelda.
Figura 25. Bastidor
Una vez terminado el bastidor se distribuyó el espacio para que exista una buena disposición de los componentes neumáticos y mecánicos en este caso la suspensión McPherson en la parte delantera y la suspensión neumática en la parte posterior como se muestra en la figura 26.
33 Después de haber determinado la distribución de los componentes se procedió al montaje de los elementos de la suspensión McPherson y la neumática, se utilizó el proceso de soldadura de arco eléctrico y pernos de sujeción para asegurar la estructura como se muestra en la figura 27.
Figura 27. Montaje de los componentes mecánicos y neumáticos
Se puede observar en la figura 28 el bastidor con su respectivo montaje de los componentes de la suspensión McPherson y la suspensión neumática.
34 Se desmontaron los componentes para poder pintar el bastidor como se muestra en la figura 29.
Figura 29. Estructura pintada
Después de haber terminado el proceso de pintura se procede a montar los componentes de la suspensión neumática y mecánica como se muestra en la figura 30.
Figura 30. Suspensión Neumática y Mecánica
35 como se muestra en la figura 31 para la posterior construcción del tablero neumático y poder realizar las conexiones neumáticas y de los pulsadores en el tablero.
Figura 31. Colocación de la tabla
En la figura 32 se puede observar la conexión de la electroválvula 5/3 vías con sus respectivos acoples y las mangueras que van a conectar a los pulmones neumáticos, con sus reguladores de presión y silenciadores en la parte de retorno y de salida de la electroválvula lo que permitirá tener un mejor control al momento que los pulmones desciendan, también se puede observar la conexión eléctrica para los pulsadores los cuales ayudarán el accionamiento de la electroválvula.
36 En la figura 33 se puede observar la conexión de la manguera en el pulmón neumático para poder conectarse a la electroválvula que se encuentra en el tablero neumático.
Figura 33. Conexión Pulmón Neumático
Terminadas las conexiones neumáticas como se muestra en la figura 34 se procede a construir el tablero neumático, donde se ubicará la electroválvula, los pulsadores para apertura y cierre de la electroválvula y todo el circuito electrónico.
37 Terminada la construcción del tablero neumático como se muestra en la figura 35 se ubica la electroválvula y los pulsadores en el tablero ya pintado.
Figura 35. Tablero Neumático
Una vez pintado el tablero se instaló la parte electrónica coloco los sensores en la posición adecuada para que puedan enviar señales a la placa Arduino como se muestra en la figura 36 el sensor de distancia se ubica con la parte del lente hacia abajo.
38 Después de ubicar el sensor se conecta a la placa Arduino como se muestra en la figura 37.
Figura 37. Conexión del Sensor de Distancia
Como se muestra en la figura 38 el sensor se conecta en el sistema de neumático la parte metálica debe estar en contacto con el aire del sistema para que pueda trabajar correctamente y este pueda enviar las señales a la placa.
Figura 38. Ubicación del Sensor de Presión
Una vez ubicado el sensor se procede a conectar a la placa como se muestra en la figura 39 tomando en cuenta los pines para que exista una conexión correcta.
39 Conectado los sensores del sistema como se muestra en la figura 40 se conecta la placa de relés los cuales van a controlar la apertura de la electroválvula.
Figura 40. Conexión de la placa de relees
Una vez conectados los sensores y la placa de relés se unen todas las placas con la pantalla TFT 3.2” como se muestra en la figura 41.
Figura 41. Conexión de placas
40
Figura 42. Pantalla TFT3.2” en el Tablero
Una vez terminado el tablero neumático como se puede observar en la figura 43 con todos sus mandos, se conectó la aplicación del celular al bluetooth de la placa Arduino para controlar el programa.
41 Como se puede ver en a figura 44 la aplicación del Smartphone con la que se puede controlar el ingreso de presión de aire al sistema neumático tiene distintos mandos.
Figura 44. Aplicación Smartphone
3.7. PRUEBAS DE CAMPO DEL SIMULADOR
Se realizaron las pruebas de la suspensión neumática y McPherson en la Casa del Amortiguador que se encuentra ubicada en la Av. Jorge Pérez Concha y Diego de Vásquez diagonal al estadio de Liga, el banco de suspensión que se utilizó en las pruebas como se puede ver en la figura 45 es de marca MONROE CVA 2003 – Copyright CVA S.A. Versión 1.1.99, Versión Sistema Operativo 6.2.9200.
42 Para una óptima simulación se colocaron sobre las suspensiones 4 objetos y adicional 2 personas como se puede ver en la tabla 11 la masa de cada objeto y de cada persona.
Tabla 11. Masa objetos
Objeto / persona Masa (Kg) Objeto 1 40 Objeto 2 40 Objeto 3 30 Objeto 4 30 Persona 1 77 Persona 2 81
Total 298
Se pudo medió con una balanza como se muestra en la figura 46.
Figura 46. Medición de objetos/personas
Una vez determinado el peso se realizó las pruebas de la suspensión mecánica en el banco simulador de suspensión como se muestra en la figura 47.
43 Al momento de las pruebas se tomó como referencia los datos que se muestra en la tabla 12 el peso promedio del eje de un vehículo liviano, amplitud y el rendimiento de la suspensión.
Tabla 12. Funciones del simulador
Funciones Datos
Peso promedio - eje vehículo mediano 1148 kg Amplitud moderada 20 – 30 mm Rendimiento promedio 60%
Como se puede observar en la figura 48 se realizó la prueba a la suspensión mecánica que se encuentra en la parte delantera del banco.
Figura 48. Resultado de las pruebas
La prueba dio como resultado que la suspensión se encuentra en buen estado, su amplitud se encuentra dentro del promedio ya que el peso del eje del banco es menor al peso de un vehículo liviano como se muestra en la tabla 13 los datos que se obtuvo de la medición.
Tabla 13. Datos suspensión McPherson
Funciones Datos
Peso promedio 534.4 kg Amplitud moderada (Izquierdo – Derecha ) 42.5 – 38.5 mm Rendimiento promedio (Izquierdo – Derecha ) 63.2 - 67.2 %
44 automático para el ingreso del aire según la simulación de alta velocidad, media velocidad y baja velocidad. El autooff permite accionar la electroválvula para poder inflar y desinflar el pulmón neumático, el botón 3 y 4 nos permiten accionar el mando inflando y desinflando; los botones 8 y 9 permiten suspender el mando inflando y desinflando.
Figura 49. Manejo de la aplicación
Como se muestra en la figura 50 se realizó la medición de la suspensión neumática cuando el pulmón se encuentra desinflado e inflado.
Figura 50. Prueba suspensión neumática
45
Figura 51. Resultado de la prueba (pulmón desinflado)
La prueba dio como resultado que la suspensión se encuentra en buen estado, su amplitud está dentro del promedio, el rendimiento es aceptable como se muestra en la tabla 14 los datos que se obtuvo de la medición.
Tabla 14. Datos suspensión neumática (Desinflada)
Funciones Datos
Peso promedio 517 kg Amplitud moderada (Izquierdo – Derecha ) 48.1 – 40.8 mm Rendimiento promedio (Izquierdo – Derecha ) 57.8 - 65 %
Como se muestra en la figura 52 el pulmón se encuentra totalmente inflado para realizar la prueba.
46 Como se muestra en la figura 53 los datos de las pruebas la suspensión neumática cuando se encuentra inflado.
Figura 53. Resultado de la prueba (pulmón inflado)
La prueba dio como resultado que la suspensión se encuentra en buen estado, su amplitud está dentro del promedio, el rendimiento es mayor que el de una suspensión McPherson tiene una mejor amortiguación como se muestra en la tabla 15 los datos que se obtuvo de la medición.
Tabla 15. Datos de la suspensión neumática (inflado)
Funciones Datos
Peso promedio 521.8 kg Amplitud moderada (Izquierdo – Derecha ) 26.4 – 24.3 mm Rendimiento promedio (Izquierdo – Derecha ) 79.4 – 81.5 %
Se midió la distancia entre el suelo y el bastidor de la suspensión mecánica y la neumática, se realizó dos mediciones una con carga ya la otra sin carga para determinar el descenso de cada una de las suspensiones como se puede observar en la figura 54 la presión y la distancia según ingrese el aire al pulmón para inflarlo.
47 En la figura 55 se puede observar la medición que se hizo en cada suspensión.
Figura 55. Medición suspensiones
En la tabla 16 se muestran los resultados que se obtuvieron en la medición de la suspensión mecánica.
Tabla 16. Medición suspensión mecánica Carga (kg) Distancia Suspensión
Neumática (mm)
0 450
298 410
En la tabla 17 se muestran los resultados que se obtuvieron en la medición de la suspensión neumática.
Tabla 17. Medición suspensión neumática Carga (kg) Distancia Suspensión
Neumática (mm)
Presión (Bar)
0 520 3
298 500 3
298 550 5
48
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
4.1. CONCLUSIONES
Se seleccionó los componentes de una suspensión McPherson de un automóvil FIAT UNO para el montaje del sistema mecánico, obteniendo como resultado un rango de amplitud de 38.5 a 42.5 mm y un rendimiento de amortiguación en el eje izquierdo del 63.2% y el derecho 67.2%.
49
4.2. RECOMENDACIONES
Se sugiere implementar el circuito neumático en la parte delantera y posterior de un vehículo liviano para realizar pruebas de funcionamiento y analizar su comportamiento con todo el peso del vehículo.
Implementar un sistema de memorias que permita almacenar diferentes posiciones del pulmón de acuerdo las necesidades del usuario.
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6. ANEXOS
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