Grado de Ingeniería en Tecnologías Industriales

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Equation Chapter 1 Section 1

Proyecto Fin de Carrera

Grado de Ingeniería en Tecnologías Industriales

Modelado de un motor estrella en 3D y recreación

virtual con Solid Edge

Autor: Nohemí Ballester Fernández

Tutor: María Gloria Del Río Cidoncha

Cotutor: Rafael Ortiz Marín

Dpto. Ingeniería Gráfica

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

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Proyecto Fin de Carrera

Grado en Ingeniería de Tecnologías Indutriales

Modelado de un motor estrella en 3D y recreación

virtual con Solid Edge

Autor:

Nohemí Ballester Fernández

Tutor:

María Gloria Del Río Cidoncha

Cotutor:

Rafael Ortiz Marín

Dpto. de Ingeniería Gráfica

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

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Proyecto Fin de Carrera: Modelado de un motor estrella en 3D y recreación virtual con Solid Edge

Autor: Nohemí Ballester Fernández Tutor: María Gloria Del Río Cidoncha Cotutor: Rafael Ortiz Marín

El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificación de:

Sevilla, 2020

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A mi familia A mis amigos

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Resumen

Este proyecto de fin de grado consiste en el modelado en 3D de un motor estrella de 7 pistones con el software Solid Edge.

En primer lugar, para ponerse en contexto, se va a revisar el desarrollo histórico de este tipo de motor y se va a profundizar en el funcionamiento de la máquina, así como en sus ventajas e inconvenientes.

Posteriormente, se explicará el proceso de modelado pieza a pieza y el de ensamblaje. Además, se hará una animación que incluirá una simulación del movimiento del motor y un explosionado para poder apreciar el despiece del conjunto.

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Abstract

This project involves a 3D modeling of a 7-piston radial engine with Solid Edge software.

Firstly, the historical development of this type of engine is going to be reviewed and it is going to be studied in depth the general operation of the machine, as well as the pros and cons.

Later, the part-by-part modeling process and the assembly process will be explained. In addition, an animation will be made and will include a simulation of the motor movement and an exploded view in order to appreciate the pieces of the set.

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Índice

Resumen ix Abstract xi Índice xii Índice de Figuras xv 1 Introducción 1 1.1. Objetivo y motivación 1 1.2. Alcance y límites 1 1.3. Estructura 1 2 Desarrollo histórico 3 3 Funcionamiento 9 3.1. General 9

3.2. Piezas del motor 10

3.3. Ventajas e inconvenientes 19

4 Selección del software 21

4.1. Qué es Solid Edge y cuándo surge 21

4.2. Otros softwares del mercado 21

4.3. Justificación 23 5 Modelado 24 5.1. Bloque 24 5.2. Cigüeñal 27 5.3. Biela maestra 32 5.4. Biela articulada 35 5.5. Pistón 38 5.6. Camisa 40 5.7. Cono y aspas 42 5.8. Culata 45 5.9. Válvulas 50 5.10. Bujía 51 5.11. Tornillería 55 6 Ensamblado 59

6.1. Conjunto 1: Bloque + Camisas+Subconjunto 1 59

6.2. Conjunto 2: Pistones + Bielas 61

6.3. Conjunto 3: Biela maestra + Bielas articuladas 62

6.4. Conjunto 4: Aspas + Cono 64

6.5. Conjunto final: Conjunto 1 + Conjunto 3 + Conjunto 4 + Cigüeñal 65

7 Recreación virtual 68

8 Renderizado con KeyShot 70

8.1. Qué es KeyShot 70

8.2. Renderizado 71

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xiii - Cigüeñal 72 - Biela maestra 72 - Biela articulada 73 - Pistón 73 - Camisa 74 - Cono 74 - Aspa 75 - Culata 75 - Válvula de admisión 76 - Válvula de escape 76 - Bujía 77 - Bulón 77 - Conjuntos 1, 3 y 4 78 - Conjunto final 79

Conclusiones y desarrollos futuros 81

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Í

NDICE DE

F

IGURAS

Ilustración 1: Fotografía de uno de los vuelos de Lilienthal, publicadas en los periódicos de la época [2]. 3 Ilustración 2: A la izquierda: Motor que permitió volar al Flyer [7]. A la derecha: Fotografía del Flyer I [3].

3 Ilustración 3: A la izquierda: Alberto Santos Dumont a los mandos del 14bis [4]. A la derecha: El avión

14-bis [5]. 4

Ilustración 4: Motor rotativo, modelo Le Rhône 9C [8]. 4

Ilustración 5: Motor radial Pratt & Whitney R-1340 Wasp [10]. 5

Ilustración 6: A la izquierda: el motor J-1. A la derecha: Charles Lawrence con el J-5 [69]. 5 Ilustración 7: A la izquierda: motor Wasp Pratt & Whitney R-1340 [70]. A la derecha: Especificaciones de

dicho motor [68]. 6

Ilustración 8: Motor en V [11]. 6

Ilustración 9: De izquierda a derecha: Motor Saito 3 cilindros FG-90R3 Gasolina [14]. ASP FS400AR Four

Stroke 5 Cilindro [15]. Motor evolution radial 7 cilindros 1600CC gasolina [16]. Motor radial con 9 cilindros

de Honda XR600 [17]. 7

Ilustración 10: Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major [19]. 7

Ilustración 11: Motor R2800 [13]. 8

Ilustración 12: Motor radial donde se pueden apreciar algunas de las piezas mencionadas [23]. 9

Ilustración 13: Los cuatro tiempos de un motor de explosión [21]. 10

Ilustración 14: bloque o cuerpo para motor radial de 9 pistones [38]. 11

Ilustración 15: Cigüeñal de un motor radial [25]. 11

Ilustración 16: Biela maestra y bieletas de un motor radial [27]. 12

Ilustración 17: En esta imagen se pueden diferenciar las partes de una biela [28]. 12

Ilustración 18: Montaje de un bulón en el pistón [30]. 13

Ilustración 19: Pistón [32]. 13

Ilustración 20: Segmentos de un pistón para motor Diesel [22]. 14

Ilustración 21: Tipos de camisa: seca y húmeda [24]. 14

Ilustración 22: Cámara de combustión [22]. 15

Ilustración 23: Estructura de una culata [33]. 15

Ilustración 24: A la derecha: Válvulas de escape o admisión [35]. A la izquierda: Bujías [36]. 16

Ilustración 25: Cámara de combustión de tipo discoidal [56]. 16

Ilustración 26: Cámara de combustión de tipo Heron [56]. 16

Ilustración 27: Cámara de combustión de tipo en escape [56]. 17

Ilustración 28: Cámara de combustión de tipo en techo [56]. 17

Ilustración 29: Cámara de combustión de tipo triangular [56]. 17

Ilustración 30: Cámara de combustión de tipo hemiesférica [56]. 18

Ilustración 31: Esquema de accionamiento de una distribución por piñones [22]. 18 Ilustración 32: Avión Mustang P-51 mostrando el cono donde se sitúan las aspas [37]. 19

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Ilustración 33: Boceto del perfil del aspa a modelar. 19 Ilustración 34: A la izquierda: Logo Intergraph [43]. A la derecha: Logo Siemens [44]. 21

Ilustración 35: Logo de Solid Edge [45]. 21

Ilustración 36: Logo AUTOCAD [46]. 22

Ilustración 37: Logo CATIA [47]. 22

Ilustración 38: Logo SolidWorks [48]. 22

Ilustración 39: Boceto 1 y protrusión 1 del modelado del bloque. 24

Ilustración 40: Vaciado 1 del modelado del bloque. 24

Ilustración 41: Boceto 2 y protrusión 2 del modelado del bloque. 25

Ilustración 44: Puntos del patrón y resultado final del mismo. 26

Ilustración 45: Redondeo 1 y 2 del modelado del bloque. 26

Ilustración 46: Agujero 1 del modelado del bloque. 27

Ilustración 47: Vista delantera y trasera del resultado final del modelado del bloque. 27 Ilustración 48: A la izquierda: parte de los planos [1]. A la derecha: Boceto 1 del modelado del cigüeñal.

28

Ilustración 49: Protrusión 1 del modelado del cigüeñal. 28

Ilustración 50: Boceto 2 y protrusión 2 del modelado del cigüeñal. 28

Ilustración 52: Agujero 1 del modelado del cigüeñal y parámetros de dicho agujero. 29

Ilustración 54: Vaciado 1 del modelado del cigüeñal. 30

Ilustración 56: Agujero 2 del modelado del cigüeñal y parámetros de dicho agujero. 31

Ilustración 57: Chaflán 1 del modelado del cigüeñal. 31

Ilustración 58: Vista delantera y trasera del resultado final del modelado del cigüeñal. 31 Ilustración 59: A la izquierda: parte de los planos [1]. A la derecha: Boceto 1 del modelado de la biela maestra.

32 Ilustración 60: Protrusión 1 y vaciado 1 del modelado de la biela maestra. 32

Ilustración 61: Vaciado 2 del modelado de la biela maestra. 33

Ilustración 62: Protrusión 2 y vaciado 3 del modelado de la biela maestra. 33 Ilustración 63: Boceto 2 y protrusión 3 del modelado de la biela maestra. 33 Ilustración 64: Boceto 3 y protrusión 4 del modelado de la biela madre. 34

Ilustración 65: Vaciado 4 y 5 del modelado de la biela madre. 34

Ilustración 66: Redondeos del modelado de la biela madre. 34

Ilustración 67: Resultado final del modelado de la biela maestra. 35

Ilustración 68: Parte superior del modelado de la biela articulada. 35

Ilustración 69: Boceto 1 y protusión 1 del modelado de la biela articulada. 36

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Ilustración 71: Redondeos y chaflán del modelado de la biela articulada. 37

Ilustración 72: Vaciado 3 del modelado de la biela articulada. 37

Ilustración 73: Resultado final del modelado de la biela articulada. 37

Ilustración 74: Protrusión 1 del modelado del pistón. 38

Ilustración 75: Vaciado 1 del modelado del pistón. 38

Ilustración 76: Vaciado 2 y 3 del modelado del pistón. 39

Ilustración 77: Vaciado 4 del modelado del pistón. 39

Ilustración 78: Resultado final del modelado del pistón. 39

Ilustración 79: A la izquierda: parte de los planos [1]. A la derecha: Boceto 1 del modelado de la camisa. 40

Ilustración 80: Protrusión 1 del modelado de la camisa. 40

Ilustración 81: Boceto 2 y protrusión 2 del modelado de la camisa. 40

Ilustración 82: Vaciado 1 y 2 del modelado de la camisa. 41

Ilustración 83: Patrón 1 del modelado de la camisa. 41

Ilustración 84: Agujero 1 del modelado de la camisa. 41

Ilustración 85: Resultado final del modelado de la camisa. 42

Ilustración 86: Boceto 1 y protrusión 1 del modelado del cono. 42

Ilustración 87: Boceto 2 y protrusión 2 del modelado del cono. 43

Ilustración 88: Patrón 1 del modelado del cono. 43

Ilustración 89: Agujero 1 del modelado del cono y parámetros de dicho agujero. 43

Ilustración 90: Resultado final del modelado del cono. 44

Ilustración 91: A la izquierda: parte de los planos [1]. A la derecha: Bocetos 1 y 2 del modelado del aspa. 44

Ilustración 92: Protrusión 1 del modelado del aspa. 44

Ilustración 93: Resta booleana entre el aspa y el cono. 45

Ilustración 94: Resultado final del modelado del aspa. 45

Ilustración 95: Parámetros geométricos de diseño para los conductos de entrada (a la izquierda) y de salida

(a la derecha) del combustible [57]. 46

Ilustración 96: Alojamiento de la bujía en la culata [56]. 46

Ilustración 97: Boceto 1 y protrusión 1 del modelado de la culata. 47

Ilustración 98: Vaciado 1 del modelado de la culata. 47

Ilustración 102: Agujero 1 del modelado de la culata y parámetros de dicho agujero. 49

Ilustración 103: Chaflán 1 del modelado de la culata. 49

Ilustración 104: Vista superior y de perfil del resultado final del modelado de la culata. 49 Ilustración 105: Parámetros geométricos de diseño para las válvulas de admisión (a la izquierda) y de escape

(a la derecha) [57]. 50

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Ilustración 107: Protrusión 2 del modelado de las válvulas. 51

Ilustración 108: Resultado final del modelado de las válvulas. 51

Ilustración 109: Bujía estándar [65]. 52

Ilustración 110: Boceto 1, protrusión 1 y roscado 1 del modelado de la bujía. 52 Ilustración 111: Vaciado 1, protrusiones 2, 3 y 4 y redondeo 1 del modelado de la bujía. 53

Ilustración 112: Vaciado 2 del modelado de la bujía. 53

Ilustración 113: Boceto 2 y protrusión 5 del modelado de la bujía. 53

Ilustración 115: Protrusión 7 del modelado de la bujía. 54

Ilustración 117: Resultado final del modelado de la bujía. 55

Ilustración 118: Tornillo unión culata-camisa. Roscado solamente por la parte de la camisa. 56 Ilustración 119: Tornillo unión camisa-bloque. Roscado solamente por la parte del bloque. 56

Ilustración 120: Arandela unión camisa-bloque/culata-camisa. 56

Ilustración 121: Bulón unión pistón-biela. 57

Ilustración 122: Circlip unión pistón-biela. 57

Ilustración 123: Bulón unión biela madre-biela articulada. 57

Ilustración 124: Circlip unión biela madre-biela articulada. 58

Ilustración 125: Piezas que van a constituir el conjunto 1. 59

Ilustración 126: Piezas que van a constituir el subconjunto 1. 59

Ilustración 127: Subconjunto 1. 60

Ilustración 128: Caras de las piezas que se tienen que hacer coincidentes. 60

Ilustración 129: Unión de una camisa con el bloque. 60

Ilustración 130: Vistas delantera y trasera del conjunto 1. 61

Ilustración 132: Caras de las piezas que se tienen que hacer paralelas. 61

Ilustración 133: Conjunto 2. 62

Ilustración 136: Unión de ambas bielas. 63

Ilustración 137: Conjunto 3. 63

Ilustración 140: Unión del cono con el aspa. 64

Ilustración 141: Vistas delantera y trasera del conjunto 4. 65

Ilustración 142: Piezas que van a constituir el conjunto final. 65

Ilustración 143: Subconjunto 2. 65

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Ilustración 146: Uniones camisa-pistón (a la izquierda) y cigüeñal-biela maestra (a la derecha). 66

Ilustración 147: Conjunto final. 67

Ilustración 148: Vistas delantera y trasera del conjunto final con distintos colores para cada pieza. 68

Ilustración 149: Explosionado axial en la dirección del eje X. 68

Ilustración 150: Explosionado radial. 69

Ilustración 151: Logo de Keyshot [51]. 70

Ilustración 152: Algunos de los formatos admitidos por Keyshot [51]. 70

Ilustración 153: Bloque renderizado. 71

Ilustración 154: Cigüeñal renderizado. 72

Ilustración 155: Biela maestra renderizada. 72

Ilustración 156: Biela articulada renderizada. 73

Ilustración 157: Pistón renderizado. 73

Ilustración 158: Camisa renderizada. 74

Ilustración 159: Cono renderizado. 74

Ilustración 160: Aspa renderizada. 75

Ilustración 161: Culata renderizada. 75

Ilustración 162: Válvula de admisión renderizada. 76

Ilustración 163: Válvula de escape renderizada. 76

Ilustración 164: Bujía renderizada. 77

Ilustración 165: Bulón renderizado. 77

Ilustración 166: Conjunto 1 renderizado. 78

Ilustración 169: Vista delantera del conjunto final renderizado. 79

Ilustración 170: Vista lateral del conjunto final renderizado. 80

Ilustración 171: Módulos de Solid Edge utilizados durante el proyecto. 81

Ilustración 172: Algunas de las piezas a diseñar en el futuro [52][53]. 82 Ilustración 173: Ejemplo de análisis de esfuerzos con elementos finitos [54]. 82 Ilustración 174: Simulación de fluidos en la cámara de combustión [55]. 83

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1 I

NTRODUCCIÓN

1.1. Objetivos y motivación

La finalidad de este proyecto es modelar tridimensionalmente y renderizar un motor radial o de estrella con 7 pistones, partiendo de los planos encontrados en Internet [1]. Además, se va a realizar una simulación del movimiento de la máquina y un explosionado para poder apreciar como se ensamblan las diferentes piezas. Existen varias razones para llevar a cabo este proyecto:

- En primer lugar, el poder profundizar en el funcionamiento de un motor, ya que, en la intensificación de Mecánica de Máquinas del Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales no se incide demasiado en el tema de motores, siendo este de gran interés para los alumnos.

- Además, tras recibir cierta formación en el uso del software de Solid Edge en la asignatura de Diseño Asistido por Ordenador, es interesante seguir adquiriendo conocimientos sobre dicho programa que , a pesar de no ser el más potente, puede llegar a ser de gran utilidad de cara al futuro.

- Por ultimo, también se espera que pueda servir como recurso de carácter pedagógico.

1.2. Alcance y límites

Para este trabajo se parte de unos planos de las piezas más básicas que conforman un motor radial, sin embargo, no todas las partes están plasmadas en estos. El modelado que se va a llevar a cabo va a constar de las piezas que aparecen en la representación y algunas otras que han sido diseñadas bsándose en la literatura y en otros planos diferentes., no obstante, en el capítulo donde se va a explicar el funcionamiento de la máquina se profundizará en todas y cada una de las partes, a pesar de que no estén representadas en 3D, para mayor comprensión del conjunto.

Por otro lado, no se va a incidir en los cálculos ingenieriles (aerodinámica, transmisión de calor…) ya que este proyecto tiene un alcance meramente geométrico.

1.3. Estructura

El proyecto se divide en varios capítulos para facilitar así la mayor comprensión del lector.

En el Capítulo 1, Introducción, se da una visión general de lo que va a ser el resto del trabajo, los objetivos y motivaciones y sus límites y alcance.

En el Capítulo 2, Selección del software, se presenta el Solid Edge y se compara con otros programas de modelado que existen en el mercado. Además, se justifica la elección de este software frente al resto.

En el Capítulo 3, Desarrollo histórico, se describe la evolución de los motores radiales hasta la actualidad, analizando también los distintos tipos que existen hoy en día.

El Capítulo 4, Funcionamiento, se centra en explicar la actividad del motor en general y la función que tiene cada pieza, así como las ventajas e inconvenientes del conjunto.

En el Capítulo 5, Modelado, se explica paso a paso el modelado de cada una de las piezas de la máquina mostrando imágenes del proceso para clarificar las explicaciones.

En el Capítulo 6, Ensamblado, se describe el proceso de ensamblado y los distintos vínculos que se establecen entre las piezas.

En el Capítulo 7, Recreación virtual, se proporciona una descripción exhaustiva de la animación que se adjuntará junto a este documento, e incluye una simulación del movimiento del motor y un explosionado para apreciar el despiece.

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Introducción

2

En el Capítulo 8, Renderizado con KeyShot, se presenta el programa KeyShot y se muestra, pieza por pieza, el resultado de la renderización.

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2 D

ESARROLLO HISTÓRICO

Desde el principio de los tiempos, la humanidad soñaba con volar. No fue hasta 1891, cuando el ingeniero alemán Otto Lilienthal inició sus experiencias de vuelo planeado, fue el primer hombre que voló satisfactoriamente en una máquina más pesada que el aire [2].

Ilustración 1: Fotografía de uno de los vuelos de Lilienthal, publicadas en los periódicos de la época [2].

Entre sus seguidores se encontraban los hermanos Wright, que en 1900 volaron su primer planeador tripulado. Hicieron volar dos planeadores más y, una vez conseguido el control y la estabilidad, el siguiente paso fue dotarlo de potencia para que volase de forma autónoma. Esto se consiguió mediante un motor y una hélice. En vista de que todos los motores eran demasiado pesados, diseñaron uno propio de 4 cilindros en línea. En 1903, surgió el Wright Flyer I que fueron perfeccionando, desarrollando así el Wright Flyer II y el Wright Flyer III [2].

Ilustración 2: A la izquierda: Motor que permitió volar al Flyer [7]. A la derecha: Fotografía del Flyer I [3].

Simultáneamente, en París, Alberto Santos Dumont consiguió realizar un vuelo autónomo de siete segundos a bordo de su aeroplano 14 bis. Gracias a su ingenio consiguió lo que ningún otro hasta la fecha, despegar con la potencia de su motor sin ningún tipo de ayuda (colocando un motor de 50 caballos y reduciendo 40 kg el peso de la parte posterior del avión) [4].

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Desarrollo histórico

4

Ilustración 3: A la izquierda: Alberto Santos Dumont a los mandos del 14bis [4]. A la derecha: El avión

14-bis [5].

En esa época empieza a utilizarse el motor rotativo, este se refrigeraba directamente por aire, en lugar de ser refrigerado por líquido, consiguiendo una mejor relación potencia-peso, aspecto esencial que se estaba persiguiendo [6].

Ilustración 4: Motor rotativo, modelo Le Rhône 9C [8].

La Primera Guerra Mundial fue un punto y aparte en muchas cosas, ésta planteó a varias empresas la necesidad de sustituir los motores rotativos por otros más fiables y con mejor refrigeración.Y es que los rotativos tenían que funcionar constantemente a la máxima potencia. ¿Resultado? Una vida útil muy corta, en la que además se registraba una fiabilidad tan baja como alta era la cifra de pilotos muertos tras pararse el motor en pleno vuelo. Con su buena relación peso/potencia, los motores radiales sustituyeron rápidamente a los rotativos. Algo que se aceleró gracias a que éstos resolvían fácilmente el problema del calentamiento gracias a su gran frontal expuesto al viento [9].

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5 Modelado de un motor estrella en 3D y recreación virtual con Solid Edge

Ilustración 5: Motor radial Pratt & Whitney R-1340 Wasp [10].

Charles Lawrance, originalmente diseñador de motores de coches de carreras, construyó su primer motor de avión refrigerado por aire en 1921 para un contrato con la Marina. El J-1 de 149 kW (200 hp) satisfizo la necesidad de la Marina de un motor compacto y liviano para usar en portaaviones y que no estuviera plagado de problemas de fugas de agua [67].

Posteriormente, la compañía de aviación Wright compró la empresa de Lawrance y lo contrató como ingeniero en jefe, debido a su trabajo prometedor. De esta manera el motor radial Wright Whirlwind J-5 estuvo disponible

en 1925 [66]. Este utilizó características de ingeniería avanzadas; tales como válvulas de escape

refrigeradas por sodio y culatas de aluminio. A pesar de su mayor costo inicial en relación con otros motores disponibles en ese momento, su confiabilidad y menor costo operativo resultaron en un uso generalizado entre muchos fabricantes de aviones [67].

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6

Ese mismo año, en diciembre, fue producido el primer motor Wasp por Frederick Brant Rentschler en Pratt&Whitney, anteriormente un fabricante de herramientas [68]. El R-1340 obtuvo importantes pedidos de la Armada de los Estados Unidos, lo que convertiría a la nueva Pratt&Whitney Company en la mayor fabricante de motores de aviación de la historia [66].

Ilustración 7: A la izquierda: motor Wasp Pratt & Whitney R-1340 [70]. A la derecha: Especificaciones de

dicho motor [68].

El período de entreguerras (1919-1939) se caracterizó por avances espectaculares en el arte de volar. De la guerra emergieron los motores en V refrigerados por líquido [9].

Ilustración 8: Motor en V [11].

A pesar del auge de los motores en V, los motores radiales siguieron ofreciendo mejores prestaciones como la de potencia-peso, aspecto fundamental para hacer volar un avión. Fueron dichas prestaciones las que hicieron que, a principios de la Segunda Guerra Mundial fueran los motores radiales los motores predominantes durante el conflicto [12].

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Tanto Wright Whirlwind, como Pratt & Whitney, contaron con una importante influencia en la historia de la aviación, cargada por entonces de múltiples cambios culturales como el transporte de correo y pasajeros, las exhibiciones aéreas y los récords de los grandes pioneros de la aviación. La compañía Wright Whirlwind estuvo a la cabeza del desarrollo de los motores radiales, aportando innovaciones importantes que permitían aumentar la potencia, reducir vibraciones e incrementar su eficiencia. Sin embargo, Pratt & Whitney no se quedó atrás: su motor R-1340 Wasp dio inicio a la masificación de la producción de motores radiales desde su aparición, y junto con el posterior R-1680 Hornet marcaron un hito en la aviación. La variedad de plantas motrices construida por P&W hicieron que esta compañía y sus productos llegaran a todo tipo de aeronaves durante algo más de treinta y cinco años [66].

Finalmente, la aplicación masiva de los motores de reacción a comienzos de los 60, desbancó a los ya obsoletos motores radiales [9].

A lo largo de los años, han existido diversos tipos de motores radiales dependiendo de su número de pistones, desde 3, hasta 9.

Ilustración 9: De izquierda a derecha: Motor Saito 3 cilindros FG-90R3 Gasolina [14]. ASP FS400AR Four

Stroke 5 Cilindro [15]. Motor evolution radial 7 cilindros 1600CC gasolina [16]. Motor radial con 9 cilindros de Honda XR600 [17].

Además, originalmente los motores radiales tenían un solo banco o estrella de cilindros, pero al agregar pistones se hacía necesaria la existencia de más estrellas. La mayoría no excedían de dos estrellas, pero el motor radial más grande construido en masa, el Pratt & Whitney Wasp Major, tuvo 28 cilindros dispuestos en 4 estrellas, motor que fue usado por varios aviones durante el período posterior a la Segunda Guerra Mundial. [18]

(30)

8

Hoy en día, tan sólo quedan algunas pequeñas empresas de aeronáutica recreativa que sigan fabricándolos. Un ejemplo de ello es la australiana Rotec Aerosport, responsable del modelo R2800. Un siete cilindros con encendido eléctrico capaz de entregar hasta 110CV a las 2450 rpm. Todo ello si se le puede suministrar una media de 22 litros de gasolina a la hora [9].

Ilustración 11: Motor R2800 [13].

A pesar de que el motor radial no es usado masivamente, actualmente hay tres compañías que lo construyen. Iván Vedeneyev produce variantes del motor M-14 sobre un diseño original AI-14 de Alexander Ivchenko que data de 1950. Vedeneyev agregó un turbo, con lo que se logran potencias superiores y mayor rendimiento. Hay una variante, la M 14V, para helicópteros, y una versión que entrega 400 HP diseñada originalmente para el Su-31. Versiones de este motor son usadas por algunos aviones acrobáticos, Yakovlev como el Yak-52, y los Sujoi Su-26 y Su-29. La compañía australiana Rotec Engineering produce motores de 7 cilindros y 110 HP, y de 9 cilindros y 150 HP. Además, Technopower produce motores miniatura para aeromodelos [66].

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3 F

UNCIONAMIENTO

3.1 General

El motor radial o de estrella es una clase de disposición de un motor de combustión interna. En esta presentación, los cilindros se ubican de forma radial con respecto al cigüeñal, formando una estrella. Este tipo de disposición fue usada en motores de aviación, tanto civiles como militares, hasta que el motor de reacción apareció [20].

El motor radial, a diferencia del rotativo, tiene el cigüeñal dentro del bloque del motor. Los pistones se conectan por medio de un mecanismo biela/manivela, diferente a los motores que tienen disposición lineal. Un pistón se conecta a biela maestra que, al mismo tiempo, se une directamente con el cigüeñal [20]. El resto de los pistones se vinculan a las bielas más pequeñas, unidas a la biela principal. A todo el conjunto de biela maestra, secundarias y pistones es lo que se conoce como estrella. Por lo general, la cantidad de pistones en una estrella es impar, pues este orden del encendido disminuye las vibraciones.

En cuanto al combustible, son motores poco sensibles por lo tanto no se necesita de una mezcla demasiado refinada; el combustible siempre será gasolina común, de 93 o 95 octanos es suficiente [20].

Ilustración 12: Motor radial donde se pueden apreciar algunas de las piezas mencionadas [23].

La mayoría de estas máquinas son de 4 tiempos, denominados de esta manera ya que un ciclo completo de trabajo se realiza en cuatro movimientos del pistón:

- Admisión: el pistón, situado en la parte superior del cilindro, realiza un movimiento de bajada con la válvula de admisión abierta succionando una mezcla de aire y combustible.

- Compresión: desde la parte inferior del cilindro, el pistón se mueve hacia arriba estando las válvulas cerradas, comprimiendo así dicha mezcla.

- Explosión/ignición: con el pistón en la parte superior, una chispa procedente de las bujías hace explotar la mezcla comprimida de aire y combustible, lanzando violentamente el pistón hacia abajo.

- Escape: desde la parte inferior, al realizar la carrera hacia arriba con la válvula de escape abierta, el pistón empuja y expulsa los gases del cilindro. Al llegar al punto superior, se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión comenzando de nuevo el ciclo [21].

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Funcionamiento

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Ilustración 13: Los cuatro tiempos de un motor de explosión [21].

Si el motor tuviera solo un cilindro, giraría a trompicones, con mucha fuerza en el momento de la explosión y con menos en el resto del ciclo. Cada cilindro de los distintos pistones del motor se encuentra en una fase distinta a los demás, de forma que las explosiones se suceden a intervalos regulares dando al cigüeñal un giro más constante [21].

El movimiento del cigüeñal se transmite a través de engranajes, el cual, mediante unos empujadores y balancines, se encarga de abrir y cerrar las válvulas en el momento adecuado. Si la apertura o cierre de válvula o el salto de chispa en las bujías no se realiza de forma perfectamente sincronizada con el movimiento de los pistones, el motor se encuentra “fuera de punto” y gira de forma irregular o no gira [21].

3.2 Piezas del motor

En este apartado se va a profundizar en aspectos como la función o los materiales pieza por pieza del motor, basándose principalmente en la fuente [22]. Como se explica en la parte del alcance, el conjunto que se va a modelar a partir de los planos obtenidos de [1], posee las piezas más básicas para comprender el funcionamiento de un motor radial o de estrella. Sin embargo, en esta sección del capítulo también se va a indagar en ciertas piezas que no se van a modelar, como por ejemplo el balancín, para comprender a la perfección el funcionamiento de estas máquinas.

BLOQUE

Es el cuerpo principal del motor y suele estar conformado de una sola pieza con materiales como el hierro fundido, aluminio o aleaciones especiales [22]. Al bloque van unidos unos cilindros desmontables denominados camisas [24].

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Ilustración 14: bloque o cuerpo para motor radial de 9 pistones [38].

CIGÜEÑAL

Es el encargado de transmitir el movimiento alternativo en movimiento rotatorio que suministra un par útil. Este componente suele estar conformado por fundición o forjado y posteriormente mecanizado de una aleación de acero [22].

Ilustración 15: Cigüeñal de un motor radial [25].

El cigüeñal es una de las piezas más importantes del motor ya que recoge y transmite el cambio de potencia desarrollada por cada uno de los pistones. Una de las características primordiales del cigüeñal es su equilibrio estático, distribuyendo todo su peso de forma uniforme alrededor del eje; y equilibrio dinámico, para eliminar cualquier vibración generada durante su giro a causa de la fuerza ejercida por las bielas [22].

BIELA

Es un eslabón de la cadena de transformación del movimiento alternativo (pistón) en rotativo (cigüeñal). Por lo general las bielas se fabrican de acero templado, aunque en motores de altas prestaciones se suelen utilizar bielas

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Funcionamiento

12

de aluminio o de titanio [22].

En este tipo de motor se pueden diferenciar dos tipos de bielas, la biela maestra o principal y las bielas articuladas o bieletas. Cabe mencionar que la biela principal ejecuta el mismo movimiento que el que ejecuta una biela en la mayoría de los motores [26].

Ilustración 16: Biela maestra y bieletas de un motor radial [27].

Las bielas suelen estar divididas en tres partes: el pie de biela (extremo que va articulado al pistón mediante un bulón), el cuerpo de la biela (zona de la biela que soporta más esfuerzos, este debe ser ligero y por eso tiene una estructura de doble T) y la cabeza de la biela (va unida al cigüeñal mediante unos cojinetes) [22].

Ilustración 17: En esta imagen se pueden diferenciar las partes de una biela [28].

BULÓN

El bulón es un tornillo de acero o acero cincado con centro hueco que sirve para articular el embolo con la biela siendo este el eje donde oscilara el embolo, esta es la pieza que está sometida a más desgaste en el motor ya que tiene que aguantar mucha tensión [29].

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Ilustración 18: Montaje de un bulón en el pistón [30].

PISTONES

El pistón o émbolo es el elemento encargado de transformar el movimiento rectilíneo en uno giratorio. En todas las aplicaciones que se emplea, el pistón recibe o trasmite fuerzas en forma de presión de un fluido a otro fluido [22]. Los pistones de los motores actuales usan como elemento principal el aluminio, por ser un metal con amplias cualidades [31].

Ilustración 19: Pistón [32].

SEGMENTOS

Los segmentos son aros de forma circular abierta, que se disponen en acanaladuras apropiadas situadas en la parte superior del propio pistón, para asegurar la retención de los gases durante la compresión e impedir en parte el paso del aceite lubricante al interior de la cámara de combustión [22].

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Funcionamiento

14

Ilustración 20: Segmentos de un pistón para motor Diesel [22].

CILINDROS

La función principal del cilindro es permitir el desplazamiento del pistón, el cual se mueve entre los denominados punto muerto inferior y punto muerto superior [22].

Se denominan camisas a los cilindros desmontables que se acoplan al bloque motor. Tiene la ventaja de que se pueden fabricar de materiales distintos al del cuerpo principal, por lo que pueden ser más resistentes al desgaste y más eficientes a la hora de evacuar el calor. En caso de avería o desgaste de los cilindros pueden ser sustituidos sin que el bloque motor se vea afectado. Estas pueden ser de dos tipos: secas o húmedas, en función de si están en contacto o no con el líquido refrigerante [24].

Ilustración 21: Tipos de camisa: seca y húmeda [24].

Además, es el espacio en el que tiene lugar la combustión de la mezcla de combustible y comburente (aire), este espacio se comprende entre la culata y la cabeza del pistón, cuando éste se halla en el punto muerto superior [22].

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Ilustración 22: Cámara de combustión [22].

CULATA

Es la parte del motor que sella los cilindros por su lado superior para evitar pérdidas en la compresión y en correspondencia con la cual suelen ir colocadas las válvulas de admisión y de escape y la bujía [22].

Ilustración 23: Estructura de una culata [33].

La válvula de admisión es una pieza metálica en forma de clavo con una gran cabeza. Su función es abrirse en el momento indicado para permitir que la mezcla del aire y el combustible procedente del carburador penetre en la cámara de combustión del motor para que se efectúe el tiempo de admisión [34].

La válvula de escape tiene la misma forma, sin embargo, su función es permitir la expulsión al medio ambiente de los gases que se generan dentro del cilindro del motor después de que se queme la mezcla de aire y combustible durante el tiempo de explosión [35].

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Funcionamiento

16

Ilustración 24: A la derecha: Válvulas de escape o admisión [35]. A la izquierda: Bujías [36]. Por otro lado, las bujías son los elementos del sistema de encendido que hacen saltar la chispa en la cámara de combustión [22].

Existen diversos tipos de cámaras de combustión según la disposición de las válvulas y la bujía [56]: - Cámara discoidal

Ilustración 25: Cámara de combustión de tipo discoidal [56]. - Cámara Heron en el pistón

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- Cámara en el escape

Ilustración 27: Cámara de combustión de tipo en escape [56]. - Cámara en techo

Ilustración 28: Cámara de combustión de tipo en techo [56]. - Cámara triangular o en cuña

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Funcionamiento

18

- Cámara hemiesférica

Ilustración 30: Cámara de combustión de tipo hemiesférica [56].

Por último, los balancines son los elementos de la distribución encargados de transmitir el movimiento de la leva o de la varilla de la válvula aprovechando el principio de la palanca. Estos están fabricados de fundición, de acero o de aluminio [22].

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CONO Y ASPAS

El cono es el encargado de transmitir a las aspas la potencia generada por el motor. Este puede estar fabricado de aluminio o de fibra de vidrio [37].

Ilustración 32: Avión Mustang P-51 mostrando el cono donde se sitúan las aspas [37].

Las aspas tienen el perfil de un cuerpo fuselado para mayores ventajas aerodinámicas. Estas van conectadas al cono.

Ilustración 33: Boceto del perfil del aspa a modelar. BALANCÍN

3.3 Ventajas e inconvenientes

VENTAJAS

• La principal ventaja del motor radial o de estrella es que presenta un área frontal grande, por lo que el enfriamiento viene dado por el aire que impacta sobre el motor. Esto no ocurre con los motores en V o W, que necesitan enfriarse por un fluido, lo que implica mayor peso. La ausencia de sistema de refrigeración hace que la construcción y el mantenimiento de un motor radial o estrella sea más fácil [20].

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Funcionamiento

20

• Además, la cantidad de piezas requeridas para el ensamble es menor, lo cual incrementa la fiabilidad ya que, a mayor número de piezas, mayor es la posibilidad de que ocurra algún fallo en un sistema. Su simplicidad lo hace más fiable y menos sensible a los daños en combate, dado que los impactos de bala de otros aviones podían perforar y dañar algunos cilindros sin comprometer seriamente su funcionamiento, mientras que en motores enfriados por líquido las balas producían fugas en el sistema de refrigeración, fundiendo el motor inmediatamente [18].

• Otro aspecto positivo de los motores radiales es que tienen un máximo de revoluciones relativamente bajos (rpm), lo que a menudo puede conducir hélices sin ningún tipo de reducción de engranaje [40].

DESVENTAJAS

• Su gran área frontal, a pesar de ser una gran ventaja para la refrigeración, también tiene un aspecto negativo y es que, produce una gran resistencia en comparación con otros tipos de motores que permiten coeficientes aerodinámicos más pequeños [39].

• Además, en estos motores la sobrealimentación no ocurre a través de un único conducto que alimenta el bloque entero, como sucede con otras disposiciones. En el motor radial, el aire comprimido, después de pasar por la turbina o compresor, debe ser llevado a cada cilindro [20].

• Cuando el flujo de aire aumenta (especialmente en el descenso) el motor se enfría por debajo de su temperatura de funcionamiento, o aumenta la diferencia entre su temperatura y la temperatura ambiente, lo cual constituye un fallo comúnmente conocido como "choque térmico", en el cual los cilindros sufren fracturas que los dañan parcial o completamente [40].

• Por último, la buena relación peso/potencia de estos motores disminuye a medida que se reduce el tamaño, por lo cual no es rentable hacer un motor radial de cilindradas pequeñas, y por esta razón aeronaves ligeras que no usaron el motor radial generalmente portaban un motor en línea o un motor de cilindros horizontalmente opuestos [18].

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4 S

ELECCIÓN DEL SOFTWARE

4.1 Qué es Solid Edge y cuándo surge

Solid Edge es un programa para crear diseño mecánico 3D con métodos paramétricos que incluye, un modelador de sólidos, creación de ensambles y dibujos acotados [41].

Creado en 1996 por Intergraph y adquirido posteriormente por Siemens, al igual que NX, engloba un grupo de aplicaciones CAD/CAM/CAE. Debido a las distintas aplicaciones que contiene, podemos decir que se trata de un sistema CAD híbrido 2D/3D. Su mayor ventaja radica en que utiliza tecnología síncrona para acelerar las fases del diseño, lo cual permite realizar los cambios rápidos y mejorar la reutilización (mediante importación de datos entre las distintas aplicaciones del paquete) [42].

Ilustración 34: A la izquierda: Logo Intergraph [43]. A la derecha: Logo Siemens [44].

Ilustración 35: Logo de Solid Edge [45].

4.2 Otros softwares del mercado

Además del software para crear en 3D de Solid Edge, existen otros tantos en el mercado también muy bien valorados:

AUTOCAD

Actualmente es desarrollado y comercializado por la empresa Autodesk. Tuvo su primera aparición en 1992 y es reconocido a nivel internacional como el más usado. Tiene amplias capacidades de edición, que hacen posible el dibujo digital de planos de edificios o la recreación de imágenes en 3D con mucha calidad. Es compatible con multitud de programas que lo complementan o se apoyan en él. Es sobre todo usado por

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Selección del software

22

arquitectos, ingenieros y diseñadores industriales [42].

Ilustración 36: Logo AUTOCAD [46].

CATIA

Creado y comercializado por Dassault Systèmes, está desarrollado para proporcionar apoyo CAD desde la concepción del diseño hasta la producción y análisis de productos. La principal peculiaridad de Catia es que provee una arquitectura abierta para el desarrollo de aplicaciones y para personalizar el programa (quizas por ello es actualmente la aplicación CAD de referencia). Fue inicialmente desarrollado para la industria aeronáutica, pero en los últimos años se ha integrado también en la industria del automóvil para el diseño y desarrollo de carrocería, y en menor medida el sector de la construcción también ha incorporado su uso para diseñar edificios de gran complejidad [42].

Ilustración 37: Logo CATIA [47].

SOLIDWORKS

Desarrollado en la actualidad por SolidWorks Corp. (que se convirtió en 1997 en filial de Dassault Systèmes). Más simple que los anteriores, se caracteriza porque integra su propio sistema CAE, lo cual garantiza la calidad y el funcionamiento de los diseños antes de comprometerse a fabricarlos. Sus exhaustivas herramientas de análisis permiten probar digitalmente modelos en movimientos y obtener una percepción técnica al inicio del proceso de fabricación; luego, con la información obtenida se podrá definir fácilmente métodos para reducir peso y coste de materiales, mejorar durabilidad y factibilidad de fabricación, optimizar márgenes y comparar las opciones de diseño. Sus principales usos están orientados al diseño de maquinaria industrial o productos articulados [42].

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4.3 Justificación

Existen diversos motivos por los cuales se ha decidido utilizar el software de Solid Edge para llevar a cabo el modelado en 3D del motor estrella.

El primero de ellos ha sido que, en 4º curso del Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales en la rama de Mecánica de Máquinas, se imparte una asignatura llamada Diseño Asistido por Ordenador en la que se dan las nociones básicas de este programa. De ahí surge un gran interés en profundizar en el manejo de dicho software.

A pesar de no ser el más potente, sí se encuentra entre uno de los mejores, además, este tipo de programas tienen una forma de utilización muy similar y, si se conoce el funcionamiento de uno, adaptándose ligeramente, se pueden manejar los demás.

Por último, Solid Edge tiene la ventaja de poseer módulos para construir en 2D y 3D, ensamblar e incluso se pueden realizar recreaciones virtuales, evitando así la necesidad de utilizar un programa diferente para cada uno de estos cometidos.

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Modelado

24

5 M

ODELADO

En este capítulo se van a explicar todas las operaciones necesarias para el modelado en 3D de cada una de las piezas del motor estrella obtenidas de los planos [1]. Como ya se ha mencionado en diversas ocasiones a lo largo de este escrito, las piezas que se van a modelar no van a ser todas las que forman el motor, por ejemplo, el sistema de accionamiento de las válvulas no se va a incluir. Se deja así para el capítulo de desarrollos futuros, el posible diseño y modelado de las piezas ausentes.

Cabe destacar que las medidas utilizadas no son las medidas reales para un motor estrella, son solo una guía para poder hacerse una idea de cómo es dicho motor en 3D, pero estas no indican el tamaño real de las piezas.

5.1 Bloque

El bloque o cuerpo del motor ha sido una de las piezas más básicas a la hora de modelar. Se parte de un boceto de un heptágono regular de 55,86 mm y se realiza una protrusión de 60 mm de profundidad formando un prisma de 7 caras.

Ilustración 39: Boceto 1 y protrusión 1 del modelado del bloque.

A este bloque heptagonal, se le realiza un vaciado circular de 100 mm de diámetro y 55 mm de profundidad.

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Acto seguido, se realiza un nuevo boceto circular en el interior de la pieza de 35 mm de diámetro y se realiza una nueva protrusión de 12 mm.

Ilustración 41: Boceto 2 y protrusión 2 del modelado del bloque.

A dicha protrusión se le realiza un agujero pasante circular de 25 mm de diámetro. Este agujero es en el que más adelante se ensamblará el cigüeñal.

Ilustración 42: Vaciado 2 del modelado del bloque.

El siguiente paso va a ser realizar un agujero en la pared del prisma heptagonal donde se van a ensamblar las camisas y por donde van a pasar los pistones. Se trata de un agujero pasante de 40 mm de diámetro cuyo centro se encuentra a 30 mm de la base de dicho prisma y a 27,93 mm de una de sus aristas laterales.

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Modelado

26

Ilustración 43: Vaciado 3 del modelado del bloque.

Hay que llevar a cabo esta misma operación otras 6 veces para el resto de las caras por lo que, para evitar hacer trabajo de más, se realiza un patrón circular con 7 puntos para repetir el vaciado en el resto de dichas caras.

Ilustración 44: Puntos del patrón y resultado final del mismo.

Se realizan los redondeos que se aprecian en la imagen, el del interior es de 5 mm de radio y, el de las aristas laterales de 8 mm.

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Finalmente, se realizan alrededor de estos orificios los 4 agujeros roscados que servirán para unir las camisas al bloque, dichos agujeros tienen una métrica M4 y una profundidad de 4 mm. Con el mismo patrón usado anteriormente se reepite la operación para cada una de las caras del prisma.

Ilustración 46: Agujero 1 del modelado del bloque. El resultado final se puede apreciar a continuación:

Ilustración 47: Vista delantera y trasera del resultado final del modelado del bloque.

5.2 Cigüeñal

Para llevar a cabo el modelado del cigüeñal se parte del boceto que se aprecia en la imagen de la derecha. Este se construye a partir de tangencias entre circunferencias y con las distancias que aparecen en la imagen de la izquierda obtenidas de los planos [1].

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Modelado

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Ilustración 48: A la izquierda: parte de los planos [1]. A la derecha: Boceto 1 del modelado del cigüeñal. A dicho boceto se le realiza una protrusión de 5 mm.

Ilustración 49: Protrusión 1 del modelado del cigüeñal.

Seguidamente se realizan dos bocetos circulares uno de 20 mm de diámetro y el otro de 18 mm. A ambos se les realiza una protrusión de 2,5 mm y 10,5 mm de profundidad respectivamente.

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Ilustración 51: Boceto 3 y protrusión 3 del modelado del cigüeñal.

En esta protrusión se realiza un agujero roscado con métrica M6 de 12 mm de profundidad y con una extensión de la rosca de 10 mm.

Ilustración 52: Agujero 1 del modelado del cigüeñal y parámetros de dicho agujero.

De nuevo se dibuja otro boceto circular, esta vez de 24,9 mm de diámetro, y se hace una protrusión de 22 mm.

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Modelado

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En dicha protrusión se lleva a cabo un vaciado por barrido con el área de un rectángulo (que se puede apreciar en la ilustración), siguiento la trayectoria del boceto 4.

Ilustración 54: Vaciado 1 del modelado del cigüeñal.

Una vez más, hay que realizar un boceto de una circunferencia y una protrusión, en esta ocasión, de 19,5 mm de diámetro y 28 mm de profundidad.

Ilustración 55: Boceto 5 y protrusión 5 del modelado del cigüeñal.

A esta última protrusión se le hace un agujero roscado con métrica M6 de 18 mm de profundidad y con una extensión de rosca de 15 mm.

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Ilustración 56: Agujero 2 del modelado del cigüeñal y parámetros de dicho agujero.

Por último, se realiza un chaflán de 1x1 mm en el extremo de la protrusión 5.

Ilustración 57: Chaflán 1 del modelado del cigüeñal. El resultado final se puede apreciar en las siguientes imágenes:

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Modelado

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5.3 Biela maestra

Esta pieza es, quizás, una de las más complejas de modelar en este proyecto. Se parte del boceto que se aprecia en la imagen de la derecha. Este se construye a partir de tangencias entre circunferencias y con las distancias que aparecen en la imagen de la izquierda obtenidas de los planos [1]. Cabe mencionar que la parte superior, donde la biela se ensambla a uno de los pistones, se va a modelar más adelante, una vez que la parte inferior esté terminada.

Ilustración 59: A la izquierda: parte de los planos [1]. A la derecha: Boceto 1 del modelado de la biela

maestra.

Al boceto de la imagen anterior se le hace una protrusión de 5 mm y un vaciado como el que se puede apreciar en la imagen de la derecha con diámetros de 8 y 18,1 mm.

Ilustración 60: Protrusión 1 y vaciado 1 del modelado de la biela maestra.

Además, se lleva a cabo otro vaciado en la zona que se muestra en la ilustración tanto por delante como por detrás, dejando 1 mm en la zona central.

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Ilustración 61: Vaciado 2 del modelado de la biela maestra.

Una vez terminada la parte inferior, a falta de la “rampa” y los redondeos que se harán al final, se comienza con la parte superior haciendo una protrusión de 10 mm de profundidad del boceto que se ve en negro en la imagen siguiente. También se realiza un vaciado circular con 10 mm de diámetro.

Ilustración 62: Protrusión 2 y vaciado 3 del modelado de la biela maestra.

Para unir ambas partes se dibuja el boceto que se aprecia a la izquierda y se hace una protrusión desde un extremo hasta el otro del tronco de la biela.

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Modelado

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Se va a proceder a modelar la “rampa” que ayuda a soportar ciertos esfuerzos a la biela principal. Se dibuja el boceto que se ve a continuación y se hace una protrusión. Hay que remarcar que estas operaciones hay que hacerlas tanto por delante como por detrás de la pieza ya que hay una “rampa” a cada lado.

Ilustración 64: Boceto 3 y protrusión 4 del modelado de la biela madre.

Posteriormente, se realiza un vaciado circular con diámetro 18,1 mm y otro para recortar la zona sobrante de la “rampa” con el boceto que se aprecia en negro en la imagen de la derecha.

Ilustración 65: Vaciado 4 y 5 del modelado de la biela madre.

Por último, solo quedan los redondeos que se disponen en las zonas marcadas en verde en la ilustración.

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El resultado final es el siguiente:

Ilustración 67: Resultado final del modelado de la biela maestra.

5.4 Biela articulada

Esta pieza posee una gran parte en común con la anterior, es decir, la biela madre. Como se puede observar en la siguiente ilustración, la parte superior es geométricamente igual, exceptuando alguna medida, por lo que se construye de la misma manera, siguiendo los mismos pasos.

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Modelado

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En cuanto a la parte inferior, se comienza dibujando el siguiente boceto y haciendo una protrusión de 14 mm de profundidad, 7 mm hacia delante y 7 hacia detrás.

Ilustración 69: Boceto 1 y protusión 1 del modelado de la biela articulada.

Después, se realiza un vaciado circular de 8 mm de diámetro y otro a partir de los bocetos en negro que se aprecian en la imagen de la derecha.

Ilustración 70: Vaciado 1 y 2 del modelado de la biela articulada.

Se realizan los redondeos en las zonas que se aprecian en la figura de la izquierda en color verde y el chaflán de 0,5x0,5 mm que se observa en la ilustración de la derecha.

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Ilustración 71: Redondeos y chaflán del modelado de la biela articulada.

Por último, se realiza un vaciado de 0.7 mm de profundidad en los orificios de la parte inferior de la pieza para que se alojen los circlips.

Ilustración 72: Vaciado 3 del modelado de la biela articulada.

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Modelado

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5.5 Pistón

El pistón, junto con el bloque, es una de las piezas mas sencillas para modelar del motor radial. Se parte de un boceto circular de 30 mm de diámetro al que se le hace una protrusión de 30 mm, obteniendo así un cilindro macizo.

Ilustración 74: Protrusión 1 del modelado del pistón.

A dicho cilindro se le realizan 3 ranuras donde van colocados los segmentos. Para modelar dichas ranuras se dibuja el boceto de los 3 rectángulos, de 1,25x1,5 mm cada uno, que se aprecia en la imagen y se lleva a cabo un vaciado por barrido siguiendo la trayectoria circular de la base del cilindro.

Ilustración 75: Vaciado 1 del modelado del pistón.

Posteriormente se realizan dos vaciados, el primero partiendo de un rectángulo en la base con 20 mm de profundidad para crear el lugar donde se aloja la biela. El segundo se trata de un agujero pasante de diámetro 10,05 mm por donde pasará el bulón para unir el pistón con la biela.

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Ilustración 76: Vaciado 2 y 3 del modelado del pistón. Por último, hay que hacer un vaciado para que se alojen los circlips.

Ilustración 77: Vaciado 4 del modelado del pistón. El resultado final es el siguiente:

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Modelado

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5.6 Camisa

Para llevar a cabo el modelado de la camisa se parte del boceto que se aprecia en la imagen de la derecha. Este se construye a partir de tangencias entre circunferencias y con las distancias que aparecen en la imagen de la izquierda obtenidas de los planos [1].

Ilustración 79: A la izquierda: parte de los planos [1]. A la derecha: Boceto 1 del modelado de la camisa. A dicho boceto se le realiza una protrusión de 3 mm.

Ilustración 80: Protrusión 1 del modelado de la camisa.

Más adelante, se realiza un boceto circular de 40 mm de diámetro concéntrico al boceto 1 para hacer una protrusión de 49 mm hacia arriba y 8 mm haca debajo.

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Se realizan dos vaciados, el primero parte de un boceto circular de 30 mm de diámetro, y es por donde se mueve el pistón. El segundo crea un orificio circular de 4 mm de diámetro y es por donde se va a fijar la camisa al bloque.

Ilustración 82: Vaciado 1 y 2 del modelado de la camisa.

Es necesario hacer el vaciado 2 en los otros 3 salientes por lo que se lleva a cabo un patrón circular de 4 puntos como el que se ve en la imagen.

Ilustración 83: Patrón 1 del modelado de la camisa.

Finalmente, se realizan 6 agujeros roscados con métrica M 4 y de profundidad 10 mm para unir la culata a la camisa.

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Modelado

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Ilustración 85: Resultado final del modelado de la camisa.

5.7 Cono y aspas

CONO

Para hacer el cono de la hélice se parte del boceto que se ve en la ilustración y, por revolución alrededor del eje azul, se obtiene el cono de la segunda imagen.

Ilustración 86: Boceto 1 y protrusión 1 del modelado del cono.

Posteriormente, se dibujan dos circunferencias de 4 mm de diámetro en un plano paralelo al plano central a 45 mm y se realiza una protrusión hasta la superficie del cono para obtener el enganche de las aspas.

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Ilustración 87: Boceto 2 y protrusión 2 del modelado del cono.

Como en la hélice hay tres aspas, se necesita repetir la operación anterior otras dos veces por lo que resulta más adecuado hacer un patrón circular con 3 puntos como el que aparece en la imagen.

Ilustración 88: Patrón 1 del modelado del cono.

Por último, se realiza un agujero roscado con métrica M20 de 29 mm de profundidad y con una extensión de la rosca de 25 mm para la unión con el cigüeñal.

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Modelado

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Ilustración 90: Resultado final del modelado del cono.

ASPA

Para llevar a cabo el modelado del aspa se parte de los bocetos que se aprecian en la imagen de la derecha. Estos se construyen a partir de tangencias entre circunferencias y con las distancias que aparecen en la imagen de la izquierda obtenidas de los planos [1].

Ilustración 91: A la izquierda: parte de los planos [1]. A la derecha: Bocetos 1 y 2 del modelado del aspa. Se hace un barrido por secciones desde el boceto 1 hasta el boceto 2.

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Una vez que se tiene la estructura del aspa se realiza una resta booleana de sólidos, restándole al aspa la superficie del cono, creando la curvatura y los agujeros para acoplar ambas piezas.

Ilustración 93: Resta booleana entre el aspa y el cono. El resultado final es el siguiente:

Ilustración 94: Resultado final del modelado del aspa.

5.8 Culata

DISEÑO

Como se ha explicado anteriormente, la culata es la pieza que se sitúa encima de la camisa.

A la hora de diseñar la culata, una vez que se tiene la pieza en bruto, que es lo más fácil de esta tarea, tienen que llevarse a cabo los orificios para el alojamiento de la bujía, para las guías de las válvulas, tanto de escape como de admisión, y para los tornillos que unen la culata con la camisa. Además, también hay que diseñar los conductos por los que pasan los fluidos antes y después de la combustión [56].

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Modelado

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Ilustración 95: Parámetros geométricos de diseño para los conductos de entrada (a la izquierda) y de salida

(a la derecha) del combustible [57].

Existe diferencia entre la entrada y la salida ya que, el conducto de admisión es de mayor diámetro para favorecer la fácil entrada de los elementos para la combustión, mientras que, el de escape cuenta con un diámetro más pequeño para que los gases salgan forzados por la presión que ejerce el pistón [58].

En cuanto al alojamiento de la bujía, se trata de un agujero escalonado donde se apoya la bujía, estando la parte más estrecha roscada para ajustar bien la pieza como se aprecia en la imagen [59].

Ilustración 96: Alojamiento de la bujía en la culata [56].

Cabe mencionar que la disposición de las válvulas y las bujías que se va a utilizar es la que se puede apreciar en la imagen anterior, siendo así una cámara de combustión de tipo hemiesférica con una ligera variación [56]. Con toda esta información y basándose en unos planos de una culata para un motor radial encontrados en [60], variando las medidas según se requiera, se obtiene el diseño final de la culata.