UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
ANÁLISIS, DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN APOYO
HIDRÁULICO CONTROLADO ELECTRÓNICAMENTE PARA
ESTACIONAR UNA MOTOCICLETA
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
MUZO GUALOTO DAVID FERNANDO
DIRECTOR: ING.YÁNEZ IVAN
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2016
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1720879616
APELLIDO Y NOMBRES: MUZO GUALOTO DAVID FERNANDO
DIRECCIÓN: Llano Grande, Calle Carapungo Oe10-65 y García Moreno
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 022823233
TELÉFONO MOVIL: 0987271286/0998119942
DATOS DE LA OBRA
TÍTULO: Análisis, diseño e implementación de un apoyo hidráulico controlado electrónicamente para
estacionar una motocicleta
AUTOR O AUTORES: Muzo Gualoto David Fernando
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN: DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Ing. Iván Yánez, Msc
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TÍTULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: Se desarrolló este trabajo de titulación con la finalidad de controlar electrónicamente el apoyo
mecánico de la motocicleta, uno de los
componentes más utilizados en este medio de
transporte es el apoyo que se va a utilizar para
estacionarla, dicho apoyo suele dañarse por la
alta frecuencia de uso, para ello se implementó
un apoyo automático con un sistema hidráulico
que por lo general es el más seguro ya que no
pierde fuerza ni presión, al contrario aumenta su
fuerza y mantiene la presión por largos periodos
de tiempo.
Actualmente existe una gran variedad de
motocicletas que por su gran tamaño y peso
resulta incómodo colocar el pie de apoyo y
estacionar la motocicleta, para sostener dichas
motocicletas sobre el suelo cuando se
encuentra en reposo comúnmente se emplean
un sistema accionado con el pie que requiere
fuerza y habilidad humana para accionarla. El
empleo de dicha fuerza puede resultar un
inconveniente para una amplia variedad de
usuarios que en muchas ocasiones no
consiguen accionar el mecanismo, además se
ha detectado que los accidentes o caídas que
sufren las motocicletas son a la hora de colocar
este pie de apoyo. Para este proyecto se
desarrolló un trabajo de investigación acerca de
los componentes principales de un sistema
hidráulico y de la forma de controlarlos
electrónicamente por el conductor. Este
proyecto permitió analizar la estructura y
dimensionar los componentes de la motocicleta
para luego diseñar el sistema en base al
espacio disponible en la misma, para ello se
realizó cálculos estructurales en las piezas del
mecanismo de accionamiento así como cálculos
de presión que circulará en el sistema, para ello
se realizó la recopilación de información
bibliográfica en lo que se refiere al estado del
arte de apoyos de motocicleta y de sistemas
hidráulicos.
Los parámetros calculados y analizados para el
sistema contemplan técnicas e instrumentos de
medición diseño y construcción, con ello se
implementó el sistema y mecanismo a la
motocicleta, dando como resultado la
PALABRAS CLAVES: Electroválvula Solenoide
Microcontrolador
Arduino
ABSTRACT: This work qualifications in order to electronically
control the mechanical support of the
motorcycle, one of the most used in this mode
of transport is the support we used to park the
components, such support is often damaged by
the high frequency of use was developed for this
automatic support with a hydraulic system that
usually is the safest because it does not lose
strength or pressure, on the contrary increases
strength and maintains pressure for long periods
of time was implemented.
There is currently a wide range of motorcycles
for its size and weight is uncomfortable putting
the kickstand and park the motorcycle, to hold
such motorcycles on the ground when it is at
rest usually a foot operated system that requires
strength are used and human ability to operate
it. The use of such force may be inconvenient
for a wide variety of users often fail to operate
the mechanism also has been detected
accidents or falls are suffering motorcycles
when placing this stand. For this project a
research paper about the main components of a
hydraulic system and how to electronically
control by the driver developed. This project
allowed us to analyze the structure and size the
components of the motorcycle and then design
the system based on space available in it, for
this structural calculations was performed on
parts of the drive mechanism and pressure
calculations that circulate in the system, for
collecting this bibliographic information as
regards the state of the art supports motorcycle
DEDICATORIA
Dedico este proyecto a mis padres, Jorge y Fabiola, quienes me han
apoyado en todas mis decisiones siendo ellos el ejemplo de esfuerzo,
sacrificio y motivación durante toda mi etapa de estudios.
A mi hija y esposa, Emily y Diana quienes han sido mi fuente de motivación
e inspiración para poder superarme cada día más y culminar mi carrera con
éxito.
AGRADECIMIENTO
Agradezco primero a Dios por darme salud, fuerza y trabajo para culminar
esta etapa de mi vida.
A mis padres quienes siempre creyeron en mí dándome ejemplo de
superación, humildad y sacrificio.
A mis hermanos que siempre me han apoyado en cada paso de mi vida.
A mi esposa e hija quienes se han sacrificado conmigo para terminar mis
estudios y esto sea ejemplo de superación para ellas.
Y en especial a mi abuelita que con su bendición me protege día a día y así
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ... XII
ABSTRACT ... XIII
1. INTRODUCCIÓN ...1
2. MARCO TEÓRICO ...3
2.1 TIPOSDEAPOYOSDEMOTOCICLETAS ... 3
2.2.1 ACCIONAMIENTO CON EL PIE ... 3
2.2.2 ACCIONAMIENTO ELÉCTRICO – HIDRÁULICO ... 4
2.2 CIRCUITOSHIDRÁULICOS ... 5
2.2.1 GENERALIDADES ... 5
2.2.2 PRINCIPIO DE PASCAL ... 6
2.2.2.1 Ecuación del principio de pascal ... 6
2.3 COMPONENTESPRINCIPALESDELOSCIRCUITOS HIDRÁULICOS ... 7
2.4 FLUIDOHIDRÁULICO ... 8
2.4.1 FLUIDOS SINTÉTICOS DE BASE ACUOSA ... 9
2.4.2 FLUIDOS SINTÉTICOS NO ACUOSOS ... 9
2.4.3 ACEITES MINERALES O SINTÉTICOS ... 9
2.5 DEPÓSITOHIDRÁULICO ... 12
2.6 FILTROS ... 14
2.7 VÁLVULAS ... 15
2.7.1 TIPOS DE VALVULAS ... 16
2.7.1.1 Por la operatividad del obturador de la válvula ... 16
ii
2.7.1.3 Por la naturaleza y condiciones físicas del fluido ... 18
2.8 VÁLVULALIMITADORADEPRESIÓN (VÁLVULADEALIVIO) ... 18
2.8.1 TIPOS ... 19
2.8.1.1 Mecánicos ... 19
2.8.1.2 Eléctricos ... 20
2.8.1.3 Electrónicos ... 20
2.9 ELECTROVÁLVULAS ... 20
2.9.1 CLASIFICACIÓN ... 21
2.9.1.1 Según el número de vías y posiciones ... 21
2.9.1.2 Situación de reposo ... 22
2.9.1.3 Principio de funcionamiento ... 23
2.10 ACTUADORESHIDRÁULICOS ... 23
2.10.1 TIPOS DE ACTUADORES HIDRÁULICOS ... 24
2.10.1.1 Cilindro de simple efecto ... 24
2.10.1.2 Cilindro de doble efecto ... 25
2.10.1.3 Cilindros telescópicos ... 26
2.10.2 BOMBAS HIDRAULICAS ... 27
2.10.3 TIPOS DE BOMBAS HIDRÁULICAS ... 27
2.10.3.1 Bomba hidráulica de embolo ... 27
2.10.3.2 Bomba hidráulica de pistón ... 28
2.10.3.3 Bomba hidráulica de paletas ... 29
2.10.3.4 Bomba hidráulica de engranajes ... 29
2.10.3.5 Bomba hidráulica de lóbulos ... 30
2.10.3.6 Bomba hidráulica de tornillo ... 31
2.10.3.7 Bomba hidráulica centrifuga ... 32
2.10.3.8 Electrobomba ... 32
2.11 TUBERÍASHIDRÁULICAS ... 33
2.12 SOLENOIDES ... 34
2.13 ELEMENTOSDECONTROLYAUTOMATIZACION ... 35
2.13.1 PLC ... 35
iii
2.13.3 ARDUINO ... 36
2.13.4 SENSORES ... 41
2.13.4.1 Clasificación de sensores según el tipo de señal de salida ... 42
2.13.4.2 Clasificación de sensores según su fuente de alimentación ... 43
2.14.4.3 Clasificación de sensores según el tipo de magnitud física a detectar ... 43
2.14.4.4 Especificación de sensores ... 43
2.14 ESTÁTICADEUNCUERPO ... 46
2.14.1 LEY DE HOOKE... 46
2.15 CÁLCULODEMOMENTOENUNMECANISMO ... 48
2.16 ECUACIONDEBERNOULLI ... 49
2.17 LEYDEOHM ... 49
3. METODOLOGÍA ... 51
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 53
4.1 DISEÑODELSOPORTEMECANICODELAMOTOCICLETA ... 53
4.2 DISEÑODELSISTEMAHIDRAULICODELSOPORTE PARALAMOTOCICLETA ... 53
4.2.1 CÁLCULOS DEL MECANISMO Y SUS TRAYECTORIAS ... 55
4.2.1.1 Determinación de la trayectoria respectiva del mecanismo .. 55
4.2.1.2 Diseño estático – cinético ... 57
4.2.1.3 Esquema del sistema en el punto 6 ... 57
4.2.1.4 Fuerza generada por el resorte ... 58
4.3 DISEÑODELSISTEMAELECTROHIDRÁULICO ... 61
4.3.1 FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA ... 61
iv
4.3.1.2 Salida del vástago del cilindro (subida del apoyo) ... 62
4.3.2 CÁLCULO DEL CILINDRO ... 63
4.3.2.1 Fuerza generada por el cilindro ... 63
4.3.2.2 Cálculo de la Fuerza de Avance ... 65
4.3.2.3 Cálculo de la Fuerza de Retroceso ... 65
4.3.2.4 Cálculo del volumen del cilindro ... 65
4.3.3 CÁLCULOS DE LA PRESIÓN EN LAS TUBERÍAS ... 66
4.3.3.1 Pérdidas en la Tubería ... 68
4.3.3.2 Flujo Laminar ... 68
4.3.3.3 Coeficiente de fricción en tuberías (F. Laminar) ... 68
4.3.3.4 Pérdidas en las tuberías ... 68
4.3.3.5 Pérdidas en los Accesorios ... 69
4.3.4 CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DEL CILINDRO ... 70
4.3.4.1 Cálculo del tiempo de salida del cilindro ... 71
4.4 CÁLCULODELASFUERZASDELMECANISMO ... 72
4.4.1 CÁLCULO DE FUERZAS EN LOS ELEMENTOS ... 75
4.4.1.1 Diseño de los elementos, cálculo del esfuerzo admisible a flexión de la palanca ... 76
4.4.1.2 Cálculo de fuerzas en la barra E, F ... 77
4.4.1.3 Cálculo del diseño por esfuerzo axial ... 78
4.4.1.4 Cálculo del diseño de la palanca por flexión ... 79
4.4.2 CÁLCULO DE LA ABRAZADERA DEL CILINDRO ... 82
4.4.3 DISEÑO DEL SOPORTE METÁLICO DEL SISTEMA ELECTROHIDRÁULICO ... 84
4.5 DISEÑODELMÓDULODECONTROLELECTRÓNICO ... 89
4.5.1 CÁLCULO DEL SISTEMA ELÉCTRICO ... 94
4.6 CONSTRUCCIÓNDELAPOYOHIDRÁULICODELA MOTOCICLETA ... 95
4.7 IMPLEMENTACIÓNDELMÓDULODECONTROL ELECTRÓNICO.………102
4.8 PRUEBASDEFUNCIONAMIENTO... 104
v 4.9.1 ENCENDIDO DEL SISTEMA, PIE DE APOYO ABAJO (SIDE
STAND DOWN) ... 106
4.9.2 PIE DE APOYO ARRIBA (SIDE SATAND UP) ... 107
4.10 DISCUSIÓN ... 108
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 109
5.1 CONCLUSIONES ... 109
5.2 RECOMENDACIONES ... 110
vi
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Grados de viscosidad iso ... 11
Tabla 2. Correlación entre grados de viscosidad sae-iso ... 11
Tabla 3. Rango de valores de la viscosidad cinemática ... 12
Tabla 4. Grados de filtración y aplicaciones ... 14
Tabla 5. Plataformas para desarrollo de arduino ... 37
Tabla 6. Ejemplos de sensores electrónicos.. ... 44
Tabla 7. Tabla del desplazamiento del resorte ... 56
Tabla 8. Datos para el cálculo de la fuerza generada del resorte. ... 59
Tabla 9. Datos para el cálculo de las fuerza del mecanismo ... 64
Tabla 10. Datos para el cálculo del volumen del cilindro ... 66
Tabla 11. Datos para el cálculo de la velocidad del cilindro ... 71
Tabla 11. Datos para el cálculo del tiempo de salida del vástago ... 72
Tabla 12. Datos para el cálculo de las fuerzas en el mecanismo. ... 73
Tabla 13. Datos para el cálculo del esfuerzo admisible a flexión ... 76
Tabla 14. Datos para el cálculo del esfuerzo axial de la palanca ... 79
Tabla 15. Datos para el cálculo del esfuerzo admisible de la abrazadera ... 83
Tabla 16. Datos para el cálculo del espesor del soporte. ... 85
Tabla 17. Propiedades mecánicas del perno ... 88
Tabla 18. Comparación de las propiedades mecánicas del aluminio y el acero a36 ... 88
Tabla 19. Datos para el cálculo del sistema eléctrico del sistema. ... 95
vii
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Caballete central ...4
Figura 2. Bmw k 1200 lt ...4
Figura 3. Piaggio x9 500 ...5
Figura 4. Principio de pascal ...6
Figura 5. Elementos de un circuito hidráulico simple ...8
Figura 6. Deposito hidráulico ... 13
Figura 7. Esquema de representación de un tanque hidráulico ... 14
Figura 8. Filtro hidráulico ... 15
Figura 9. Válvula de movimiento lineal ... 16
Figura 10. Válvula rotativa ... 17
Figura 11. Válvula de alivio ... 19
Figura 12. Válvula de alivio mecánico ... 20
Figura 13. Esquema interno de una electroválvula simple ... 21
Figura 14. Ejemplos de simbología de las electroválvulas ... 22
Figura 15. Cilindro hidráulico simple ... 24
Figura 16. Cilindro de simple efecto ... 25
Figura 17. Cilindro de doble efecto ... 26
Figura 18. Cilindro telescópico ... 26
Figura 19. Bomba de embolo ... 28
Figura 20. Bomba de pistón ... 28
Figura 21. Bomba de paletas ... 29
Figura 22. Bomba de engranajes ... 30
viii
Figura 24. Bomba de tornillo ... 31
Figura 25. Bomba centrifuga ... 32
Figura 26. Electrobomba hidráulica... 33
Figura 27. Manguera flexible para aplicaciones hidráulicas ... 33
Figura 28. Esquema de funcionamiento de un solenoide ... 34
Figura 29. Diagrama de un microcontrolador ... 36
Figura 30. Microcontrolador arduino nano ... 38
Figura 31. Elementos de un microcontrolador arduino ... 39
Figura 32. Diagrama de función digital write ... 40
Figura 33. Diagrama de función digital read ... 41
Figura 34. Sensor de presión electrónico ... 42
Figura 35. Apoyo actual de la motocicleta. ... 53
Figura 37. Diseño del apoyo electrohidráulico de la motocicleta. ... 54
Figura 38. Trayectorias respectivas del apoyo ... 56
Figura 39. Esquema del sistema en el punto 6 ... 57
Figura 40. Fuerza genera por el apoyo de la motocicleta ... 58
Figura 41. Diagrama del sistema electrohidráulico ... 61
Figura 42. Diagrama de funcionamiento para el retroceso del cilindro (bajada del apoyo) ... 62
Figura 43. Diagrama de funcionamiento para la salida del cilindro (subida del apoyo) ... 63
Figura 44. Esquema del cilindro hidráulico ... 70
Figura 45. Diagrama de cuerpo libre del mecanismo. ... 73
Figura 46. Diagrama de cuerpo libre de la palanca con visualización de las fuerzas que soporta ... 78
ix Figura 48. Diagrama de cuerpo libre de la palanca con fuerzas de
reacción ... 80
Figura 49. Diagrama de fuerza de reacción que actúan en la abrazadera. ... 82
Figura 50. Diseño del soporte del sistema ... 85
Figura 51. Diagrama de bloques del funcionamiento del sistema ... 89
Figura 52. Circuito del módulo de control electrónico ... 90
Figura 53. Diagrama del circuito del módulo de control ... 90
Figura 54. Diagrama de mando del sistema. ... 94
Figura 55. Electroválvulas 2/2 de 12v para circuitos hidráulicos ... 96
Figura 56. Cilindro de doble efecto ... 96
Figura 57. Electrobomba del mecanismo ... 97
Figura 58. Manguera hidráulica de ¼” ... 97
Figura 59. Soporte del sistema electrohidráulico en acero asm 36 ... 97
Figura 60. Abrazadera del cilindro hidráulico ... 98
Figura 61. Recipiente de la electrobomba ... 98
Figura 62. Montaje de las electroválvulas y acoples ... 99
Figura 63. Conexiones eléctricas de las electroválvulas ... 99
Figura 64. Conexión hidráulica al cilindro ... 100
Figura 65. Montaje del sistema en la motocicleta ... 100
Figura 66. Funcionamiento del cilindro ... 101
Figura 67. Mecanismo de accionamiento del apoyo ... 101
Figura 68. Construcción del módulo de control electrónico ... 102
Figura 69. Conexión del módulo de control a la batería ... 103
x
Figura 71. Conexión del módulo de control al interruptor adicional ... 104
Figura 72. Prueba de funcionamiento del cilindro con una fuerzas de 11 y 25 lbf ... 105
Figura 73. Apoyo de la motocicleta en reposo ... 106
Figura 74. Apoyo de la motocicleta en funcionamiento ... 106
Figura 75. Interruptor en la posición down ... 107
xi
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
Anexo 1. Plano de construcción de la base vista frontal ... 113
Anexo 2. Plano de construcción de la base vista lateral y superior ... 114
Anexo 3. Plano de construcción de la abrazadera del cilindro ... 116
Anexo 4. Nomenclatura hidráulica ... 118
Anexo 5. Análisis estático de la base del sistema en solidworks. ... 123
Anexo 6. Análisis estático de la abrazadera del cilindro en
xii
RESUMEN
Se desarrolló este trabajo de titulación con la finalidad de controlar
electrónicamente el apoyo mecánico de la motocicleta, uno de los
componentes más utilizados en este medio de transporte es el apoyo que se
va a utilizar para estacionarla, dicho apoyo suele dañarse por la alta
frecuencia de uso, para ello se implementó un apoyo automático con un
sistema hidráulico que por lo general es el más seguro ya que no pierde
fuerza ni presión, al contrario aumenta su fuerza y mantiene la presión por
largos periodos de tiempo.
Actualmente existe una gran variedad de motocicletas que por su gran
tamaño y peso resulta incómodo colocar el pie de apoyo y estacionar la
motocicleta, para sostener dichas motocicletas sobre el suelo cuando se
encuentra en reposo comúnmente se emplean un sistema accionado con el
pie que requiere fuerza y habilidad humana para accionarla. El empleo de
dicha fuerza puede resultar un inconveniente para una amplia variedad de
usuarios que en muchas ocasiones no consiguen accionar el mecanismo,
además se ha detectado que los accidentes o caídas que sufren las
motocicletas son a la hora de colocar este pie de apoyo. Para este proyecto
se desarrolló un trabajo de investigación acerca de los componentes
principales de un sistema hidráulico y de la forma de controlarlos
electrónicamente por el conductor. Este proyecto permitió analizar la
estructura y dimensionar los componentes de la motocicleta para luego
diseñar el sistema en base al espacio disponible en la misma, para ello se
realizó cálculos estructurales en las piezas del mecanismo de accionamiento
así como cálculos de presión que circulará en el sistema, para ello se realizó
la recopilación de información bibliográfica en lo que se refiere al estado del
arte de apoyos de motocicleta y de sistemas hidráulicos.
Los parámetros calculados y analizados para el sistema contemplan técnicas
e instrumentos de medición diseño y construcción, con ello se implementó el
sistema y mecanismo a la motocicleta, dando como resultado la
xiii
ABSTRACT
This work qualifications in order to electronically control the mechanical
support of the motorcycle, one of the most used in this mode of transport is
the support we used to park the components, such support is often damaged
by the high frequency of use was developed for this automatic support with a
hydraulic system that usually is the safest because it does not lose strength
or pressure, on the contrary increases strength and maintains pressure for
long periods of time was implemented.
There is currently a wide range of motorcycles for its size and weight is
uncomfortable putting the kickstand and park the motorcycle, to hold such
motorcycles on the ground when it is at rest usually a foot operated system
that requires strength are used and human ability to operate it. The use of
such force may be inconvenient for a wide variety of users often fail to
operate the mechanism also has been detected accidents or falls are
suffering motorcycles when placing this stand. For this project a research
paper about the main components of a hydraulic system and how to
electronically control by the driver developed. This project allowed us to
analyze the structure and size the components of the motorcycle and then
design the system based on space available in it, for this structural
calculations was performed on parts of the drive mechanism and pressure
calculations that circulate in the system, for collecting this bibliographic
information as regards the state of the art supports motorcycle and hydraulic
systems was performed.
The parameters calculated and analyzed for the system contemplated
techniques and measuring instruments design and construction, thus the
system and mechanism motorcycle was implemented, resulting automation
1
1.
INTRODUCCIÓN
El presente proyecto de investigación tiene como objetivo tratar de cubrir
una necesidad detectada, al momento de colocar el caballete o pie central
de apoyo.
Actualmente existe una gran variedad de motocicletas con apoyos de
diferente tamaño, forma y posición de acuerdo al peso y diseño de la
motocicleta.
Por todo esto, el presente proyecto tiene como propósito diseñar e
implementar un sistema de apoyo o caballete para motocicletas, accionado
electrónicamente con la posibilidad de ser adaptado a cualquier modelo de
motocicleta pesada o liviana.
De esta forma se libera al usuario de la necesidad del accionamiento con la
propia fuerza física, permitiendo un estacionamiento cómodo y fiable.
Hoy en día la motocicleta se ha convertido en uno de los medios de
transporte más populares por la ciudadanía debido a su fácil adquisición y a
su rapidez en el tráfico de la ciudad de Quito además de llegar ahorrar
tiempo y dinero.
En los últimos años se han intensificado los esfuerzos de fabricantes y
organismos oficiales en el desarrollo e implantación de sistemas nuevos y
automatizados para este medio de transporte, por lo que he visto necesario
implementar un sistema automático de parqueo que ayude al conductor al
momento de bajarse de la moto y también para subirse a ella con seguridad
en los dos casos.
Este sistema va a ser controlado electrónicamente por el conductor debido
que es el único en saber cuándo va a estacionar la motocicleta por un
periodo largo o corto.
Tecnológicamente la motocicleta está avanzando a pasos agigantados en su
diseño y sistemas que ayuden a la ergonomía del conductor, tanto para
subirse, conducirla y bajarse de la moto.
Las motocicletas constan de un sistema mecánico para estacionarla que
2 la moto puede desplomarse y sufrir serios daños que impidan su conducción
y no solo eso ya que al no tener una buena estabilidad con estos apoyos
mecánicos el conductor también podría sufrir caídas que afecten su salud al
momento de subirse o bajarse de ella.
Técnicamente es posible diseñar este apoyo automático para una moto ya
que hoy en día hay los materiales e implementos necesarios para hacerlo y
así podría implementar un nuevo sistema que actualmente no existe en las
motos que comercializa el Ecuador.
Este apoyo sin duda podría mejorar la comodidad de montar una motocicleta
con plena seguridad.
Para ello se va a analizar, diseñar e implementar un apoyo hidráulico
controlado electrónicamente para estacionar una motocicleta.
También se va a analizar la estructura física de la motocicleta y determinar el
espacio para el apoyo automático.
Diseñar un apoyo hidráulico controlado electrónicamente en el espacio físico
de la motocicleta que nos ayude a estacionar la misma automáticamente.
Implementar este apoyo en una motocicleta para las pruebas de
funcionamiento.
Realizar pruebas físicas y mecánicas de dicho apoyo en la motocicleta para
3
2.
MARCO TEÓRICO
El apoyo mecánico o pie de apoyo es un elemento situado en la parte baja y
central de la motocicleta, su finalidad es la de sostener el peso total de la
motocicleta a cierto grado de inclinación que depende del fabricante, la
misma que sirve para estacionar la motocicleta por periodos largos o cortos
de tiempo (Varea, 2013).
2.1
TIPOS DE APOYOS DE MOTOCICLETAS
En la actualidad existen varias formas y modos de sostener las motocicletas
en reposo en posición perpendicular ya sea con el propio pie de apoyo y
caballete central que posee la motocicleta o con un caballete externo.
Ahora bien se va a analizar los distintos tipos de caballetes centrales y pie
de apoyos que incorporan las motocicletas desde el punto de vista de la
forma de colocación y alguna característica particular (Varea, 2013).
2.2.1 ACCIONAMIENTO CON EL PIE
Prácticamente la totalidad de las motocicletas del mercado poseen un
caballete de hierro soldado con dos patas situado en la parte central de la
motocicleta cuyo accionamiento se basa en la fuerza humana y habilidad del
usuario. Su colocación se lleva a cabo aplicando una cantidad de fuerza
suficiente con el pie, que permita levantar la motocicleta, mientras se
apalanca esta con los brazos, requiriéndose fuerza y cierta destreza del
usuario. En las motocicletas pesadas, este procedimiento de colocación del
caballete resulta dificultoso e incómodo debido a la voluminosidad de la
motocicleta (Varea, 2013).
4
Figura 1. Caballete Central (Varea, 2013)
2.2.2 ACCIONAMIENTO ELÉCTRICO – HIDRÁULICO
Existen dos modelos de motocicleta en el mercado que incorporan un
caballete central, el cual tiene acoplado un dispositivo hidráulico accionado
mediante una electrobomba. Este sistema ofrece una mejora a la hora de
colocar el caballete permitiendo al usuario realizar la acción de una forma
más cómoda y sin esfuerzo, salvo en la sujeción de la moto durante el
proceso. Este sistema electrohidráulico es exclusivo para cada uno de los
dos modelos de motocicleta que lo incorporan por lo que no se pueden
instalar en otros modelos de motocicleta, incluso dentro de la misma marca
(Varea, 2013).
• BMW K 1200 LT
5 • PIAGGIO X9 500
Figura 3. PIAGGIO X9 500 (Station, 2007)
2.2
CIRCUITOS HIDRÁULICOS
Los circuitos hidráulicos transmiten altísimas presiones y por lo tanto
desarrollan fuerzas más intensas. El fluido utilizado es un aceite especial
que lubrica y transmite potencia, por lo tanto estos circuitos son más
silenciosos y resistentes a la pérdida de presión y fuerza (Orza, 2010).
La velocidad del vástago que se consigue es menor que en circuitos
neumáticos, el aceite no se comprime como el aire por lo que los cilindros
hidráulicos se pueden detener en cualquier momento (Orza, 2010).
2.2.1 GENERALIDADES
Pueden generarse colosales fuerzas utilizando pequeños motores de accionamiento.
6
Puede regularse la velocidad de accionamiento de forma continua o escalonada, sin la necesidad de mecanismos adicionales.
Un mismo motor puede accionar múltiples mecanismos de fuerza, incluso de manera simultánea.
El motor y los mecanismos de fuerza así como los mandos pueden estar a distancia acoplados por tubos.
Pueden lograrse movimientos muy exactos.
Tienen auto frenado.
2.2.2 PRINCIPIO DE PASCAL
Según el principio de Pascal, cuando se aplica una fuerza a un líquido
contenido en un recipiente cerrado, la presión se transmite por igual a todos
los puntos del líquido, con independencia de la forma del recipiente (Vicente,
2008).
Figura 4. Principio de Pascal (Vicente, 2008)
2.2.2.1 Ecuación del principio de pascal
7 Donde:
P = Presión ejercida en un punto
F= Fuerza de empuje
A = Área del recipiente
Puesto que la presión se transmite por igual a todos los puntos del líquido
contenido, entonces:
2.3
COMPONENTES PRINCIPALES DE LOS CIRCUITOS
HIDRÁULICOS
En un sistema o circuito hidráulico donde circula fluido a diferentes
presiones según la fuerza y el área se tiene los siguientes componentes:
Fluido hidráulico
Deposito hidráulico
Filtros
Bomba hidráulica
Cilindro actuador
Tuberías hidráulicas
Manómetros
Válvulas o electroválvulas
Válvula de alivio
A continuación en la figura 5, se muestra los elementos de un sistema
8
Figura 5. Elementos de un circuito hidráulico simple (Ingemecanica, 2014)
2.4
FLUIDO HIDRÁULICO
Para que un fluido pueda ser empleado como líquido del circuito de un
sistema hidráulico, éste deberá presentar las siguientes propiedades: • Ser un fluido incompresible para un rango amplio de presiones.
•
Buena resistencia a la oxidación• Ofrecer una buena capacidad de lubricación en metales y gomas.
• Buena viscosidad con un alto punto de ebullición y bajo punto de
congelación (el rango de trabajo debe oscilar entre -70ºC hasta +80ºC). • Presentar un punto de auto ignición superior, al menos a los 100ºC. • No ser inflamable.
• Estabilidad frente al cizallamiento
• Ser químicamente inerte y no corrosivo.
• Ser un buen disipador de calor, al funcionar también como refrigerante del
sistema.
• Presentar buenas condiciones en cuanto a su almacenamiento y
manipulación (Orza, 2010).
Los fluidos hidráulicos presentes en el mercado se pueden agrupar, en
9 2.4.1 FLUIDOS SINTÉTICOS DE BASE ACUOSA
Son resistentes a la inflamación. A su vez, se subdividen en dos tipos:
Emulsiones de agua y aceite. En este tipo de fluidos, además del aceite de base mineral emulsionable se emplean aditivos que le
confieren propiedades antioxidantes, anti desgaste, etc.
Soluciones de agua-glicol. Mezclas de 40% glicol y 60% agua, más aditivos especiales (Orza, 2010).
2.4.2 FLUIDOS SINTÉTICOS NO ACUOSOS
Son compuestos sintéticos orgánicos (fosfatos ésteres simples o clorados,
hidrocarburos clorados y silicatos ésteres). Son caros, pero presentan un
punto de inflamación muy alto (Orza, 2010).
2.4.3 ACEITES MINERALES O SINTÉTICOS
Son hidrocarburos extraídos del petróleo a los que se le añaden aditivos
químicos, que les confiere unas buenas prestaciones a un costo
relativamente bajo ya que son los más usados comercialmente (Orza, 2010).
Los lubricantes sintéticos tienden a no contener átomos de carbono sueltos
que reaccionan. Estos carbones reaccionan combinándose con el oxígeno
creando así ácidos dentro del sistema hidráulico. Los lubricantes sintéticos
son diseñados para hacer su trabajo eficientemente sin tener que cargar a
sus espaldas el exceso de aditivos que acompañan a los lubricantes
minerales.
La forma de denominar a los fluidos hidráulicos está regulada según la
norma DIN 51524 y 51525. Así, los fluidos hidráulicos siguiendo esta
normativa se denominan todos con la letra H a la que se le añaden otras
letras, para indicar el tipo de aditivos o propiedades del fluido.
A continuación, se muestra la designación de los fluidos hidráulicos según su
10 Aceites minerales o sintéticos:
HH: si se trata de un aceite mineral sin aditivos.
HL: si se trata de un aceite mineral con propiedades antioxidantes y anticorrosivas.
HP (ó HLP): aceite tipo HL con aditivos que mejoran la resistencia a cargas.
HM (ó HLM): aceite mineral tipo HL que incluye además aditivos antidesgaste.
HV: aceite tipo HM que además incorpora aditivos que mejoran su índice de viscosidad.
En ocasiones, a las siglas anteriores se les agrega un número que indica el
coeficiente de viscosidad según DIN (clasificación de viscosidad según ISO).
Ejemplo, HLP 68, que indica:
H: se trata de aceite hidráulico;
L: Con aditivos para protección anticorrosivas, con propiedades antioxidantes
P: posee aditivos que mejora la carga;
68: código de viscosidad, según DIN 51517.
Fluidos sintéticos de base acuosa:
HFA: emulsión de aceite en agua (contenido de agua: 80-98%);
HFB: emulsión de agua en aceite (contenido de agua: 40%);
HFC: solución de poliglicoles (contenido de agua: 35-55%);
HFD: líquidos anhídricos (contenido de agua: 0-0,1%).
Fluidos sintéticos no acuosos:
HFD-R: aceite a base de esterfosfatos;
HFD-S: aceite a base de hidrocarburos halogenados;
11 Por otro lado, la propiedad que más distingue un fluido hidráulico de otro es
la medida de su viscosidad. La norma DIN 51524 define los siguientes
grados para la llamada viscosidad cinemática, según la siguiente tabla 1.
Tabla 1. Grados de viscosidad ISO (Andersson, 2009) ISO
Grados de viscosidad
Viscosidad cinemática (mm2/s) a 40 ºC
Mín. Máx.
ISO VG 10 9,0 11,0
ISO VG 22 19,8 24,2
ISO VG 32 28,8 35,2
ISO VG 46 41,4 50,6
ISO VG 68 61,2 74,8
ISP VG 100 90,0 110,0
Decir que la viscosidad cinemática es el cociente entre la viscosidad
absoluta y la densidad del fluido. En el S.I. su unidad es el m2/s, mientras que en el sistema C.G.S. su unidad es el cm2/s, que se denomina stokes
(St).
Por otro lado, la unidad en el S.I. de la viscosidad dinámica o absoluta es el
kg/(m·s) ó Pa·s. En el sistema C.G.S., la unidad de la viscosidad absoluta es g/(cm•s), que se denomina poise (P).
La viscosidad del aceite lubricante se expresa con un número SAE, definido
por la Society of Automotive Engineers. Los números SAE están definidos
como: 5W, 10W, 20W, 30W, 40W, etc. En la siguiente tabla 2 se indica la
correlación SAE-ISO (Escandón, 2012):
Tabla 2. Correlación entre grados de viscosidad SAE-ISO (Andersson, 2009)
GRADO SAE GRADOS ISO VG ÁREAS DE
APLICACIÓN
12 20, 20 W
10 W
68 46
cerradas.
Rangos normales de temperatura.
5 W 32
Aplicaciones abiertas refrigeradas al aire, y maquinaria hidráulica móvil.
Bajas temperaturas.
Todos los aceites lubricantes se adelgazan cuando su temperatura aumenta
y por el contrario, se espesan cuando su temperatura disminuye. Si la
viscosidad de un aceite lubricante es muy baja, habrá un excesivo escape
por las juntas y los sellos. Si la viscosidad del aceite lubricante es muy alta,
el aceite tiende a "pegarse" y se necesitará mayor fuerza para bombearlo a
través del sistema. Se adjunta la tabla 3 con los rangos permitidos de
viscosidad para los fluidos hidráulicos (Escandón, 2012).
Tabla 3. Rango de valores de la viscosidad cinemática (Escandón, 2012)
Viscosidad cinemática (mm2/s)
Límite inferior 10
Rango ideal de viscosidad de 15 a 100
Límite superior 750
2.5
DEPÓSITO HIDRÁULICO
El depósito o también llamado tanque hidráulico, cumple con varias
funciones:
Además de servir, como uso más inmediato, de dispositivo por donde se
realiza el llenado y vaciado de fluido hidráulico, sirve también como depósito
pulmón desde donde se realiza la aspiración por parte de la bomba.
Sirve también como elemento disipador de calor a través de las paredes del
tanque, refrigerando así el aceite contenido en su interior. Para ello, es
13 del tanque de al menos 1 ó 2 minutos. Así en función del caudal de la
bomba, se podría diseñar el volumen del tanque. En efecto, para una bomba
con un caudal de diseño, por ejemplo, de 10 l/min, haría falta un tanque con
capacidad de al menos 20 litros.
Al servir como depósito de remanso del aceite, se usa también para la
deposición en el fondo de partículas y contaminantes que se puedan
arrastrar del circuito hidráulico, evitándose así que vuelvan a recircular.
Además, para aumentar el tiempo de residencia del aceite en el tanque, se
colocan en su interior unos deflectores que sirven para dirigir la circulación
del aceite por el interior del tanque.
Con ello se consigue mayor tiempo de estancia del aceite en el depósito, y
da lugar para que los contaminantes se depositen en el fondo del tanque,
además de favorecer la evaporación del agua que pueda contener el aceite
disuelto y la separación del aire (Orza, 2010).
Figura 6. Deposito hidráulico (Orza, 2010)
Para un circuito hidráulico se pueden fabricar dos tipos de tanques:
presurizados y ventilados.
Los presurizados están sellados, evitándose así que penetre la suciedad y la
humedad en su interior. La presión interna que se genera a medida que se
calienta el fluido hidráulico también sirve para empujar el aceite hacia la
bomba, evitando que se produzca la cavitación de la misma. No obstante,
14 que se utiliza para evitar que se pueda alcanzar un exceso de presión a
medida que el aceite se calienta, y que pudiera exceder la seguridad del
tanque.
Por otro lado, los tanques ventilados, al estar abiertos a la atmósfera,
permiten que haya compensación de presión cuando se producen cambios
en los niveles o en la temperatura del aceite, y no necesitan de válvula de
alivio, ver figura 7 (Orza, 2010).
Figura 7. Esquema de representación de un tanque hidráulico (Orza, 2010)
2.6
FILTROS
La filtración del fluido hidráulico es necesaria para evitar que la suciedad
producida por el funcionamiento normal del sistema termine afectando a
elementos sensibles de la instalación, como puedan ser, válvulas o la propia
bomba hidráulica.
En la tabla 4 se recogen los distintos grados de filtración exigidos, según la
aplicación del sistema hidráulico (Escandón, 2012).
Tabla 4. Grados de filtración y aplicaciones (Escandón, 2012) Grados de
Filtración, en µm
Tipo de Sistema Hidráulico
1-2
Para impurezas finas en sistemas altamente sensibles
con gran fiabilidad, preferentemente en aviación y
15 2-5 Para sistemas de mando y control sensibles y de alta
presión, con aplicaciones frecuentes en la aviación,
robots industriales y máquinas herramientas.
5-10 Para sistemas hidráulicos de alta calidad y fiabilidad, con previsible larga vida útil de sus componentes.
10-20 Para hidráulica general y sistemas hidráulicos móviles,
que manejen presiones medianas y tamaños
intermedios.
15-25 Para sistemas de baja presión en la industria pesada o
para sistemas de vida útil limitada.
20-40 Para sistemas de baja presión con holguras grandes.
Cualquier filtro estará compuesto de una carcasa exterior o envolvente, que
contendrá en su interior el material filtrante. Adicionalmente, dispondrá de
una válvula de by-pass, tipo anti retorno, que se abrirá cuando el material
filtrante esté colmado, de manera que permita un by-pass o paso del flujo del
fluido hidráulico evitando así que el circuito se colapse por culpa del atasco
en el filtro, ver figura 8 (Escandón, 2012).
Figura 8. Filtro hidráulico (Escandón, 2012)
2.7
VÁLVULAS
Las válvulas, como elementos de regulación, de control y mando de la
16 diversos tipos: válvulas controladoras de presión, de caudal, válvulas
direccionales o distribuidoras, válvulas de bloqueo o válvulas de cierre.
Básicamente la válvula es un ensamblaje compuesto de un cuerpo con
conexión a una tubería, de unos elementos que realizan la función de
sellado que dejan pasar el fluido o no a partir de un accionamiento. Además
puede ir complementado por una serie de accesorios como posicionadores,
transductores, reguladores de presión, etc. (Valvias, 2013).
2.7.1 TIPOS DE VALVULAS
2.7.1.1 Por la operatividad del obturador de la válvula
La forma como se desplaza el obturador define la geometría y modo de
funcionamiento de la válvula.
Lineales (válvulas de movimiento lineal): El vástago de la válvula empuja el obturador mediante un movimiento lineal directo. La mayoría
de estas válvulas están actuadas por un actuador lineal o multigiro
(también de movimiento lineal).Generalmente las válvulas lineales
pasan a ser de tipo multigiro cuando en vez de ser operadas por un
actuador, lo son de forma manual (Valvias, 2013).
17
Multigiro (válvulas de movimiento lineal): El obturador se desplaza siguiendo un movimiento lineal provocado por el empuje que hace su
eje al girar sobre una rosca. La operación es lenta, pero permite
posicionar de forma precisa y estable el obturador, requisito en algunas
válvulas de control. Pueden ser operadas manualmente o mediante un
actuador tipo multigiro. Tipos de válvulas: válvula anular, válvula de
compuerta, válvula de diafragma, válvula de globo, válvula de cono fijo,
válvula de aguja, válvula tipo pinch (Valvias, 2013).
Cuarto de giro (válvula rotativa): El obturador y eje tienen un giro de 0º a 90º desde la posición totalmente abierta a cerrada. Son válvulas
de rápida apertura. Pueden ser operadas manualmente o mediante un
actuador tipo cuarto-de-giro. Tipos de válvulas: válvula de bola, válvula
de mariposa, válvula tipo plug, válvula esférica (Valvias, 2013).
Figura 10. Válvula rotativa (Valvias, 2013)
2.7.1.2 Por la funcionalidad de la válvula
Las válvulas tienen diferentes funciones que a continuación se mencionan:
Control: Regular la presión / caudal.
18
Protección a sobrepresiones.
Prevenir el retorno del fluido (válvula de retención o anti-retorno).
Servicio de abrir/cerrar.
2.7.1.3 Por la naturaleza y condiciones físicas del fluido
También las válvulas funcionan bajo diferentes condiciones físicas del fluido
que a continuación se mencionan:
Bajas/Altas temperaturas.
Presiones altas.
Riesgo de cavitación.
Características corrosivas del fluido.
Fluidez/viscosidad: Gas, líquido, sólidos.
Requerimientos higiénicos (industria alimentaria, farmacéutica,...).
Riesgo de explosión o inflamabilidad (industria química, petroquímica,...).
Otras formas de clasificación de las válvulas
Nivel de fugas admisible.
Una única dirección del fluido o bidireccional
Número de puertos/entradas: la mayoría de las válvulas tienen dos puertos, uno de entrada y otro de salida. Algunas aplicaciones pueden
tener una configuración multi-puerto, pueden ser entonces válvulas de
tres o de cuatro vías.
Ángulo que forma el puerto de entrada y salida de la válvula.
Proceso de fabricación: mecano-soldada o fundición, recubrimientos.
2.8
VÁLVULA LIMITADORA DE PRESIÓN (VÁLVULA DE
ALIVIO)
Las válvulas de alivio de presión, también llamadas válvulas de seguridad o
válvulas de alivio, están diseñadas para aliviar la presión cuando un fluido
19 explosión del sistema protegido o el fallo de un equipo o tubería por un
exceso de presión. Existen también las válvulas que alivian la presión de un
fluido cuando la temperatura (y por lo tanto, la presión) supera un límite
establecido por el fabricante (Wikipedia, 2016).
Las válvulas de seguridad se pueden encontrar en instalaciones industriales,
comerciales y domésticas. En general son obligatorias en las instalaciones
en las que circulen o contengan fluidos sometidos, en algunos momentos, a
presiones no admisibles (Wikipedia, 2016).
Figura 11. Válvula de alivio (Fisher, 2013)
2.8.1 TIPOS
2.8.1.1 Mecánicos
El mecanismo de alivio consiste en un tapón que mantiene cerrado el
escape. Un resorte calibrado mantiene este tapón en posición evitando que
el fluido se escape del contenedor o tubería. Cuando la presión interna del
20 por el escape. Una vez que la presión interna disminuye el tapón regresa a
su posición original (Valvias, 2013).
El umbral de presión que determina el punto de liberación del fluido se ajusta
aumentando o reduciendo la presión que el resorte ejerce sobre el tapón con
un tornillo que lo atraviesa por su centro, como se puede ver en la figura 11.
Figura 12. Válvula de alivio mecánico (Valvias, 2013)
2.8.1.2 Eléctricos
Las válvulas eléctricas de alivio cuentan con los dos módulos, un presostato
y una electroválvula. El presostato se puede ajustar para que dispare la
electroválvula a la presión deseada. Controlando los tiempos de disparo.
2.8.1.3 Electrónicos
Los sistemas más avanzados en lugar de un presostato tienen un
transductor de presión que envía una señal a un cuarto de control. Aquí un
operador de manera manual o programando una computadora decide a que
presión se abra o cierre la electroválvula.
21 Una electroválvula es la combinación de dos partes fundamentales, un
solenoide (bobina) y un cuerpo de válvula con 2 o 3 vías que sirve para abrir
o cerrar el paso de un fluido a través de una señal eléctrica, como se puede
ver en la figura 20 (Vergara, 2011).
Figura 13. Esquema interno de una electroválvula simple (Vergara, 2011)
2.9.1 CLASIFICACIÓN
Se clasifican según el número de vías, situación de reposo y de
funcionamiento.
2.9.1.1 Según el número de vías y posiciones
Las vías son los puntos de conexión entre la electroválvula y la instalación.
2 vías quieren decir una entrada y una salida.
3 vías quieren decir una entrada, una salida y una vía de descarga que también puede ser utilizada, con otras combinaciones, para tener una
derivación o una mezcla de más fluidos.
22
La posición es la característica que se refiere al tipo de caudal, si es fijo o regulable.
Cada posición se indica con un cuadro y las vías con una flecha.
Su representación de las posiciones es la siguiente, como se ve en la figura 13
Figura 14. Ejemplos de simbología de las electroválvulas (Nina, 2016)
2.9.1.2 Situación de reposo
Se ha de verificar si la electroválvula permanecerá mucho tiempo ABIERTA
(con circulación de fluido); en este caso se denomina N.A. normalmente
abierta en posición de reposo. Al aplicarle tensión a la bobina de esta
electroválvula ésta se cierra. Si la electroválvula permanece mucho tiempo
CERRADA (sin circulación de fluido) se denomina N.C. normalmente cerrada
en posición de reposo. Al aplicarle tensión a la bobina de una electroválvula
23 2.9.1.3 Principio de funcionamiento
Según el valor de la presión que debe ser interceptada, igual o mayor a 0
bar, existen dos grandes familias de electroválvulas, de acción directa y
servo comandada o de funcionamiento por diferencial de presión (Vergara,
2011).
Acción directa: significa que la interceptación del fluido en las operaciones de apertura o cierre se realizan a través de una junta
montada directamente sobre el núcleo magnético que acciona la
bobina. La presión de funcionamiento está directamente unida al
diámetro de paso de la electroválvula y a la potencia de la bobina. La
presión mínima de funcionamiento es igual a 0 bar.
El comando eléctrico acciona directamente la apertura o cierre de la
válvula, por medio de un embolo. (Vergara, 2011).
Acción servo-comandada: o de funcionamiento por diferencia de presión significa que la electroválvula dispone de un orificio piloto y un
conducto principal para la circulación del fluido.
En este tipo de electroválvulas, la fuerza necesaria para el
accionamiento la genera la presión del fluido que circula por la misma y
no depende, por tanto, de la potencia de la bobina. Por este motivo las
electroválvulas de acción servo-comandada pueden funcionar a
presiones relativamente altas con diámetros de paso interiores
superiores a las electroválvulas de acción directa (Vergara, 2011).
2.10 ACTUADORES HIDRÁULICOS
Se clasifican en actuadores lineales, denominados o llamados cilindros, y
actuadores rotativos en general denominados motores o bombas hidráulicos.
Los actuadores son alimentados con fluido hidráulico a presión y se obtiene
un movimiento con una determinada velocidad, fuerza, o bien velocidad
angular y momento a partir de la perdida de presión de un determinado
24 Los cilindros hidráulicos (también llamados motores hidráulicos lineales) son
actuadores mecánicos que son usados para dar una fuerza a través de un
recorrido lineal, es decir, que convierte la potencia fluida a lineal, o en línea
recta, fuerza y movimiento. La presión del fluido determina la fuerza de
empuje del cilindro, el caudal de ese fluido es quien establece la velocidad
de desplazamiento del mismo. El cilindro hidráulico consiste en un émbolo o
pistón conectado a un vástago operando dentro de un tubo cilíndrico
comúnmente llamado camisa. Este tipo de cilindros se utilizan normalmente
para aplicaciones que requieran funciones tanto de empuje como de tracción
(Escandón, 2012).
Figura 15. Cilindro hidráulico simple (Ingemecanica, 2014)
2.10.1 TIPOS DE ACTUADORES HIDRÁULICOS
2.10.1.1 Cilindro de simple efecto
El cilindro de simple efecto aplica la fuerza solamente en una dirección. El
líquido que se dirige al cilindro desplazando el émbolo y lo empuja hacia
fuera, levantando o empujando el objeto cargado en el vástago. Puesto que
no existe un dispositivo para contraer el émbolo, cuando se libera la presión
del fluido, el émbolo retorna nuevamente hacia el interior del cilindro, tanto
25 resorte o muelle de antagónico. Esto envía el fluido de nuevo hacia el
depósito. Este tipo de cilindros se usan en gatos hidráulicos, elevadores, etc.
(Sapiensman, 2011).
Figura 16. Cilindro de simple efecto (Sapiensman, 2011)
2.10.1.2 Cilindro de doble efecto
En este tipo de cilindro hidráulico, ambos movimientos (de empuje y
retroceso) son producidos por el líquido presurizado. Posee dos conexiones
hacia el suministro de fluido, uno en cada extremo del cilindro.
Generalmente el émbolo de doble efecto usa una válvula de control
direccional del fluido. Cuando la válvula se posiciona para empujar el
émbolo, el líquido a presión entra en la bahía de empuje; actúa en la
superficie de la base del émbolo y mueve el mismo hacia afuera del cilindro.
Cuando se necesita retroceder el émbolo, la válvula de control dirige el
líquido a presión hacia la bahía de retroceso realizando el proceso inverso.
Después de esto el líquido retorna al depósito.
Este tipo de cilindros hidráulicos se usan en sistemas como los brazos
hidráulicos de maquinarias de construcción como por ejemplo
26
Figura 17. Cilindro de doble efecto (Sapiensman, 2011)
2.10.1.3 Cilindros telescópicos
Es un tipo de cilindro hidráulico que puede ser de simple o doble efecto y
que su principal característica es que se expande y contrae por medio de
vástagos que van por tramos que uno está dentro del otro. Es útil para
funciones que necesitan gran recorrido de vástago en comparación del
tamaño del cilindro. Es utilizado en grúas, en ascensores accionados
hidráulicamente, etc. (Sapiensman, 2011).
27 2.10.2 BOMBAS HIDRÁULICAS
Una bomba hidráulica es una máquina generadora que transforma la
energía, generalmente energía mecánica con la que es accionada en
energía del fluido incompresible que mueve. Es decir las bombas añaden
energía al agua o a un fluido hidráulico y son el corazón de todo el sistema
(Sapiensman, 2011).
Cuando se pretende desarrollar una clasificación de los diferentes tipos de
bombas hidráulicas se debe tener en cuenta algunos términos que son:
Amplitud de presión: Se constituyen en los límites máximos de presión con los cuales una bomba puede funcionar adecuadamente.
Las unidades son Lb/plg2.
Amplitud de la velocidad: Se constituyen en los límites máximo y mínimo en los cuales las condiciones a la entrada y soporte de la carga
permitirán a la bomba funcionar satisfactoriamente.
Las unidades para este término son r.p.m.
Eficiencia mecánica: Se puede determinar mediante la relación entre el caballaje teórico a la entrada, necesario para un volumen específico en
una presión específica y el caballaje real a la entrada necesario para el
volumen específico a la presión específica.
Eficiencia volumétrica: Se puede determinar mediante la relación entre el volumen teórico de salida a 0 lb/plg2 y el volumen real a cualquier presión asignada.
Eficiencia total: Se puede determinar mediante el producto entre la eficiencia mecánica y a la eficiencia volumétrica.
2.10.3 TIPOS DE BOMBAS HIDRÁULICAS
2.10.3.1 Bomba hidráulica de embolo
El funcionamiento de este tipo de bombas es interesante y muy parecido a
28 axial que comienza a aspirar líquido y luego a expulsarlo, de manera que
salga a presión y pueda ser enviado a distancias mayores que las bombas
tradicionales, lo que permite optimizar el transporte de fluidos.
A mayor cantidad de pistones, más potencia se puede generar, de tal
manera, que se puede obtener un cabezal de bombeo y una extraordinaria
eficiencia (Vanegas, 2005).
Figura 19. Bomba de embolo (Vanegas, 2005) 2.10.3.2 Bomba hidráulica de pistón
Las bombas de pistón son utilizadas generalmente en la industria por su alto
rendimiento y por la facilidad de poder trabajar a una presión superior 2000
lb/plg2 y tienen una eficiencia volumétrica aproximadamente de 95 a 98% (Ingemecanica, 2014).
29 2.10.3.3 Bomba hidráulica de paletas
Las bombas de paletas tienen un conjunto de aletas con cinemática radial.
Las aletas deslizan u oscilan en un cilindro hueco con ranuras radiales en el
rotor. Respecto al eje del cuerpo de la bomba está colocado de forma
excéntrica el rotor, respecto al que durante la rotación las aletas realizan
movimientos alternativos o de vaivén (Mecánica, 2010).
Figura 21. Bomba de paletas (Vanegas, 2005)
2.10.3.4 Bomba hidráulica de engranajes
Las bombas de engranajes se usan para bombear aceite de lubricación, y
casi siempre tienen un componente de vibración fuerte en la frecuencia del
engranaje, que es el número de dientes en el engrane por las RPM.
Este componente dependerá fuertemente de la presión de salida de la
bomba. Si la frecuencia del engranaje se cambia de manera significativa, y
hay una aparición de armónicos o de bandas laterales, en el espectro de
vibración, este podría ser una indicación de un diente dañado de otra
manera.
Las bombas de engranajes son bombas robustas de caudal fijo, con
30 rpm. Con caudales de hasta 250 cc/rev combinan una alta confiabilidad y
tecnología de sellado especial con una alta eficacia (Ingemecanica, 2014).
Figura 22. Bomba de engranajes (Sapiensman, 2011)
2.10.3.5 Bomba hidráulica de lóbulos
La bomba de lóbulos es una bomba mecánica, volumétrica y de
desplazamiento positivo. Son unas cámaras de trabajo las que desplazan el
líquido. Hay Bombas de engranaje tipo lóbulos externos e internos.
Ambos tipos de bombas se presentan a continuación y también se
especifican tanto sus características como las ventajas de cada una
(Vanegas, 2005).
Bomba de lóbulos externos.- Son bombas rotativas de engranajes externos que difieren de estas en la forma de accionamiento de los
engranajes. Ambos engranajes tienen sólo tres dientes que son mucho más
anchos y más redondeados que los de una bomba de engranajes externos.
Su accionamiento es independiente por medio de un sistema de engranajes
externo a la cámara de bombeo (Vanegas, 2005).
31 Esta bomba combina un engranaje interno dentro de otro externo. El
engranaje interno está montado en el eje y lleva un diente menos que el
engranaje exterior (Vanegas, 2005).
Figura 23. Bomba de Lóbulos (Vanegas, 2005)
2.10.3.6 Bomba hidráulica de tornillo
Es un tipo de bomba hidráulica considerada de desplazamiento positivo, que
se diferencia de las habituales, más conocidas como bomba centrífuga. Esta
bomba utiliza un tornillo helicoidal excéntrico que se mueve dentro de una
camisa y hace fluir el líquido entre el tornillo y la camisa (Mecánica, 2010).
32 2.10.3.7 Bomba hidráulica centrífuga
Las Bombas centrífugas también llamadas Rotodinámicas, es un tipo de
Bombas hidráulica que transforma la energía mecánica de un impulsor
rotatorio llamado rodete en energía cinética y potencial requeridas. El fluido
entra por el centro del rodete, que dispone de unos álabes para conducir el
fluido, y por efecto de la fuerza centrífuga es impulsado hacia el exterior,
donde es recogido por la carcasa o cuerpo de la bomba, que por el contorno
su forma lo conduce hacia las tubuladas de salida o hacia el siguiente rodete
(Vanegas, 2005).
Figura 25. Bomba centrífuga (Vanegas, 2005)
2.10.3.8 Electrobomba
Genéricamente, son aquellas accionadas por un motor eléctrico, para
distinguirlas de las motobombas, habitualmente accionadas por motores de
combustión interna.
Bombas neumáticas que son bombas de desplazamiento positivo en las que
la energía de entrada es neumática, normalmente a partir de aire
comprimido. Bombas de accionamiento hidráulico, como la bomba de ariete
o la noria. Bombas manuales. Un tipo de bomba manual es la bomba de
33
Figura 26. Electrobomba hidráulica (Vanegas, 2005)
2.11 TUBERÍAS HIDRÁULICAS
Para la conducción del fluido hidráulico se emplean tanto tuberías rígidas de
acero sin soldadura, como mangueras flexibles, evitándose en todo
momento emplear elementos galvanizados, dado que el zinc presente
puede ser muy reactivo con ciertos aditivos presentes en los fluidos
hidráulicos. Para aplicaciones móviles y de distancias cortas, se suele
emplear mangueras flexibles como la que se muestra en la figura 23
(Sapiensman, 2011).
34
2.12 SOLENOIDES
Un solenoide es definido como una bobina de forma cilíndrica que cuenta
con un hilo de material conductor enrollada sobre si a fin de que, con el paso
de la corriente eléctrica, se genere un intenso campo eléctrico. Cuando este
campo magnético aparece comienza a operar como un imán.
La función principal de un solenoide es activar una válvula que lleva su
mismo nombre. Esta válvula opera de acuerdo a los pulsos eléctricos de su
apertura y de su cierre (Electromagnetismo, 2012).
Por lo general, este tipo de dispositivo se puede programar según ciertos
horarios y dentro de sus usos más comunes se encuentran los sistemas de
regulación hidráulica y neumática. Dentro de este último campo, es frecuente
utilizarlo para permitir el flujo o realizar la detención de corrientes de alto
amperaje en los motores de arranque. Debido a su funcionamiento, es
posible encontrar solenoides en varias partes de un motor, no sólo en el
motor de arranque (Vergara, 2011).
Para hacer que uno de estos dispositivos cumpla sus funciones, es
necesario aplicar corriente positiva a uno de sus terminales. Se aplican
cargas positivas y no negativas ya que esta última está aplicada en el
momento en que se instala, en la tierra (Vergara, 2011).
35
2.13 ELEMENTOS DE CONTROL Y AUTOMATIZACION
2.13.1 PLC
Los controladores lógicos programables o PLC (Programmable Logic
Controller en sus siglas en inglés) son dispositivos electrónicos muy usados
en automatización industrial.
El PLC es un dispositivo de estado sólido, diseñado para controlar procesos
secuenciales (una etapa después de la otra) que se ejecutan en un ambiente
industrial. Es decir, que van asociados a la maquinaria que desarrolla
procesos de producción y controlan su trabajo (Vergara, 2011).
Como puedes deducir de la definición, el PLC es un sistema, porque
contiene todo lo necesario para operar, y es industrial, por tener todos los
registros necesarios para operar en los ambientes hostiles que se
encuentran en la industria (Vergara, 2011).
Dentro de las funciones que un PLC puede cumplir se encuentran
operaciones como las de detección y de mando, en las que se elaboran y
envían datos de acción a los pre-actuadores y actuadores.
Además cumplen la importante función de programación, pudiendo
introducir, crear y modificar las aplicaciones del programa para su
automatización y controlar un sistema (Vergara, 2011).
2.13.2 MICROCONTROLADORES
Un microcontrolador es un circuito integrado que en su interior contiene una
unidad central de procesamiento (CPU), unidades de memoria (RAM y
ROM), puertos de entrada y salida y periféricos (Vergara, 2011).
Estas partes están interconectadas dentro del microcontrolador, y en
conjunto forman lo que se le conoce como microcomputadora.
Se puede decir con toda propiedad que un microcontrolador es una
microcomputadora completa encapsulada en un circuito integrado (Vergara,
