Diseño, fabricación y montaje de un banco para pruebas de un motor de combustión interna

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(1)DISEÑO, FABRICACIÓN Y MONTAJE DE UN BANCO PARA PRUEBAS DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA. DIEGO ANDRÉS TRIANA LÓPEZ Estudia nte de Ingeniería Mecánica. Proyecto de Grado presentado como requisit o para optar al Título de Ingeniero M ecánico. Asesor: RAFAEL BELTRÁN Ingeniero M ecánico, MSc.. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAM ENTO DE INGENIERÍA M ECÁNICA BOGOTÁ D.C. M AYO 2010 1.

(2) DISEÑO, FABRICACIÓN Y MONTAJE DE UN BANCO PARA PRUEBAS DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA. DIEGO ANDRÉS TRIANA LÓPEZ Estudia nte de Ingeniería Mecánica. Proyecto de Grado presentado como requisit o para optar al Título de Ingeniero M ecánico. Asesor: RAFAEL BELTRÁN Ingeniero M ecánico, MSc.. Presentado por: __________________________________ Diego Andrés Triana López. Visto bueno asesor: _____________________________ Rafael Beltrán. 2.

(3) TABLA DE CONTEN IDOS 1.. RESUM EN......................................................................................................................... 6. 2.. INTRODUCCIÓN............................................................................................................. 6. 3.. M ARCO TEÓRICO.......................................................................................................... 9. 4.. 5.. 3.1. M OTORES DE COM BUSTIÓN INTERNA.................................................................. 9. 3.2. DINAMÓM ETRO O FRENO HIDRÁULICO............................................................ 10. OBJETIVOS.................................................................................................................... 12 4.1. OBJETIVOS GENERALES ....................................................................................... 12. 4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..................................................................................... 12. M ETODOLOGÍA ........................................................................................................... 12 5.1. PARTES Y COMPONENTES DEL M OTOR ............................................................. 13. 5.2. PARTES Y COMPONENTES DEL DINAM ÓMETRO ............................................... 15. 5.3. SELECCIÓN DEL M ATERIAL Y PERFIL DEL BANCO ............................................. 15. 5.4. DISEÑO DEL BANCO ............................................................................................ 19. 5.5. VERIFICACIÓN DE LA SELECCIÓN DEL M ATERIAL Y DISEÑO DEL BANCO..... 24. 5.6. INSTALACIÓN SUBSISTEM AS DEL M OTOR........................................................... 31. 5.7. ENSAMBLE M OTOR-DINAM ÓM ETRO.................................................................. 37. 6.. RESULTADOS................................................................................................................. 41. 7.. CONCLUSIO NES........................................................................................................... 43. 8.. RECOM ENDACIONES.................................................................................................. 43. 9.. BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA Y POR CONSULTAR. .................................................. 44. 3.

(4) TABLA DE IMÁGENES Imagen 1. Ejemplo de un tip o de dinamómetro de chasis de carga .............................. 7 Imagen 2. Dinamómetro de motor...................................................................................... 8 Imagen 3. M otor Chevrolet 1400 c.c. correspondiente al modelo comercia l AVEO...... 8 Imagen 4. Ciclo de un motor de combustión in terna (Otto)............................................. 9 Imagen 5. Ciclo termodinámico en un motor de combustión in terna (Otto)................ 10 Imagen 6. Especificaciones del dinamómetro modelo 301-130 adquirid o por la Univ ersidad de los Andes.................................................................................................... 11 Imagen 7. Esquema del freno hidraulico........................................................................... 11 Imagen 8. Estado in icia l del motor. (No incluye ensamble de partes adicionales)...... 14 Imagen 9. Propiedades dimensionales y mecánicas de la opción del perfil en C. ...... 16 Imagen 10. Propiedades dimensionales y mecánicas de la opción del perfil en I........ 17 Imagen 11. Perfiles en I y H ofrecid os en el mercado Colombiano. ............................... 17 Imagen 12. Propiedades dimensionales y mecánicas de la opción tubula r cuadrado. .............................................................................................................................................. 18 Imagen 14. M edid as del perfil en ‘‘C’’.............................................................................. 19 Imagen 13. Perfil seleccionado. ......................................................................................... 19 Imagen 15. Diseño inicial del banco de pruebas............................................................. 20 Imagen 16. Segundo diseño del banco de pruebas ....................................................... 21 Imagen 17. Diseño final del banco de pruebas................................................................ 22 Imagen 18. Soporte en su estado origin al. ........................................................................ 23 Imagen 19. Soporte modificado para ser usado en el banco........................................ 23 Imagen 20. M ontaje del din amómetro KAHN en un motor Diesel Cummins 12lit ros de 360bhp.................................................................................................................................. 24 Imagen 21. Diagramas de cortante y de flexión generados por la carga Pmax.......... 25 Imagen 22. Diagramas de pendiente y de deflexión generados por la carga Pmax.. 26 Imagen 23. Carga máxima soportada por el trav esaño superior en el eje Y. ............... 27 Imagen 24. Angulo de 1''x 1/8'' que se uso para soportar un extremo del motor........... 28 Imagen 25. Análisis suponiendo un comportamiento Euler............................................. 29 Imagen 26. Análisis suponiendo comportamiento Johnson............................................ 29 Imagen 27. Soportes usados para disminuir las v ib raciones en el banco....................... 30 4.

(5) Imagen 28. Soportes usados para disminuir las v ib raciones en el banco....................... 31 Imagen 29. Soportes usados para disminuir las v ib raciones en el banco....................... 31 Imagen 30. M ontaje radiador y motov entilador en el banco......................................... 32 Imagen 31. M ontaje del radiador en el banco. ............................................................... 32 Imagen 32. Conexión ala mbrado prin cip al batería - arranque...................................... 33 Imagen 33. Alternador........................................................................................................ 34 Imagen 34. ECM conectado al ala mbrado principal...................................................... 34 Imagen 35. Manguera prin cipal de aire al motor............................................................. 35 Imagen 36. Filtro de aire instalado. parte izquierda imagen............................................ 35 Imagen 37. Ensamble subsistemas completos. Incluye tablero de control. ................... 36 Imagen 38. Piezas necesarios para el ensamble motor-din amo .................................... 37 Imagen 39. Torneado de la pieza de unión...................................................................... 38 Imagen 40. Pieza de unión terminada............................................................................... 38 Imagen 41. Pieza de unión durante la realización de los agujeros................................. 39 Imagen 42. Pieza de unión durante la realización de los agujeros................................. 39 Imagen 43. Construcción bujes.......................................................................................... 40 Imagen 44. Bujes metalicos. ............................................................................................... 40 Imagen 45. Ensamble de la pieza de unión al v ola nte.................................................... 41 Imagen 46. Banco a niv el lo que asegura correcto funcionamiento............................. 41 Imagen 47. Diseño del banco fin al con el conjunto motor-dínamo ensambla do. ....... 42 Imagen 48. Diseño del banco fin al con el conjunto motor-dínamo ensambla do. ....... 42. 5.

(6) 1. RESUMEN Este proyecto de grado busca explicar los pasos necesarios para el diseño de un banco de pruebas para un motor de combustión interna, igualmente una v ez el ensamble motor – dinamómetro es realizado, se explicará que sub sistemas son los que se tienen en cuenta como se in stala ron y cuál es su función. Las pruebas con el dinamómetro serán realizadas una v ez se ha logrado la ignición o encendid o del motor, y se v alid a el correcto funcionamiento de los sub sistemas. El dinamómetro actúa como freno hidráulico que funciona a partir del cambio de presión en el agua, por lo que su montaje viene acompañado de una electro v álv ula que controla el paso de agua al dinamo. 2. INTRODUCCIÓN Los diseñadores y fabricantes automotrices realizan pruebas a los motores de modelos nuev os para encontrar su torque máximo, caballos de fuerza, consumos, rev olu ciones por minuto (RPM’s) máximas, desempeño a distin tas cargas aplicadas, etc. y estudiar la v iabilid ad de ese modelo dependiendo del resultados de dichas pruebas, estas pruebas son realiz adas media nte un dinamómetro. Un dinamómetro es un instrumento utilizado para medir fuerza en diferentes disposit iv os que para la n i dustria automotriz será para medir a l s fuerzas a las que trabaja un motor de combustión interna con distintas cargas y así obtener el torque y la potencia desarrolla dos por este motor, existen dos tip os de dinamómetros para la medición de potencia en v ehículos. El primero es el conocido como dinamómetro de chasis el cual consta de cuatro rodillos en paralelo - dos por rueda - (Imagen 1), de tal forma que se ubica el eje de tracción del v ehículo sobre los rodillos y se inicia una operación normal del vehículo desde la primera marcha hasta la últ ima, al mismo tiempo son aplicadas distin tas cargas a los rodillos media nte unos discos de freno conectados a los ejes de los rodillos y que funcionan por medio de un sistema hid ráulico, eléctrico o neumático con el fin de simula r diferentes condiciones de uso, el objetiv o es que se pueda medir la potencia que es transmit ida al piso por las ruedas. Estos dinamómetros tienen como ventaja la exactit ud en la s mediciones realizadas desde el punto de v ista del vehículo como conju nto ya que tienen en cuenta todas la s pérdidas de los elementos mecánicos inv olu crados tales como engranes, ejes, correas y poleas puesto que la prueba es realiz ada al v ehículo y no al motor, sin embargo tienen como desv entaja que la lectura del torque no cumple del todo con la defin ición de la teoría es decir que a unas RPM´s constantes él torque debería ser el mismo a lo largo de la prueba sin embargo este v aría según la marcha, en primera marcha existe un torque alto a ciertas RPM´s pero a esa misma cantidad de rev olu ciones en tercera marcha no existe el mismo torque y por lo tanto la potencia también es diferente entre marchas ya que por defin ición a l potencia es igual al torque por la v elocidad angular.. 6.

(7) El sistema o disposit iv o del dinámetro de chasis arroja ra como result ado la curv a de torque vs RPM y potencia vs RPM teniendo en cuenta y habiendo corregido la desv entaja anteriormente mencionada.. Imagen 1. Ejemplo de un tipo de dinamómetro de chasis de carga. El otro tip o de dinamómetro usado en el sector automotriz es el dinamómetro de motor –dinamómetro que será usado dentro de este proyecto – que es un disposit iv o que mide la potencia del motor sometido a prueba directamente desde el v ola nte del cigüeñal, el din amómetro es conectado al v ola nte y se aplican diferentes cargas para generar distin tas potencia s de trabajo en el motor y simula r diferentes condiciones de uso, a partir de esta prueba los datos de la potencia y del torque vs las RPM ´s son obtenidos. Esta prueba puede realizarse con o sin los accesorios que van conectados al motor tales como la bomba de aceite, de agua o aceit e hidráulico, aire acondicionado, etc. Este tip o de dinamómetro requiere de un montaje complicado y un sistema de refrigeración independiente, aun así, este método de medición de potencia es el más usado por los fabricantes automotrices en el mundo, las curv as de torque v s RPM ´s dadas por los fabricantes, ensambladores o importadores de los v ehículos conv encionales que se consiguen hoy en día en el mercado son tomadas de pru ebas realizadas media nte este tipo de dinamómetros y no se tienen en cuenta la s pérdidas de elementos mecánicos como embrague, transmisión, diferencial, ejes.. 7.

(8) Imagen 2. Dinamómetro de motor. En proyectos de grado realizados anteriormente por parte de algunos estudiantes de ingeniería mecánica de la Univ ersidad de los Andes, se realiz aron pruebas media nte un dinamómetro de chasis a diferentes v ehículos, teniendo como objetiv os realizar un mantenimiento exhaustiv o del sistema de carga del dinamómetro, id ear tanto la ubicación como el tipo de sensores a utilizar para la recolección de datos del sistema, obtener la curva de Potencia v s. RPM en la s ruedas, realizar pruebas con diferentes vehículos y v erificar el correcto funcionamiento del dinamómetro, como se menciono anteriormente estos proyectos de grado se hicieron haciendo uso de un dinamómetro de chasis HH propiedad de la Universidad de los Andes, fabricado en Dinamarca por la empresa Hans Hol gaard Maskin fabrik, sin embargo no se han realizado proyectos de grado que realicen pruebas a motores de combustión interna media nte un dinamómetro de motor y es ahí donde nace esta propuesta, ya que a diferencia de los proyectos anteriores se realizara a un mismo motor, se cotejara con información dada por el fabricante del motor y será una prueba más técnica. Este proyecto tiene como reto el hecho que anteriormente en la Universid ad no se han realizado proyectos haciendo uso de un din amómetro de motor por lo que es un campo de nuev o en la inv estigación de pruebas a motores de combustión interna.. Imagen 3. Motor Chevrolet 1400 c.c. correspondiente al modelo comercial AVEO. 8.

(9) Para ello es necesario diseñar y construir un banco de pruebas que cumpla con todas las necesidades del proyecto como lo son prueba de sub sistemas, ensamble dinamo – motor, acomodaciones de partes como tanque de combustible, tanque de agua, radiador, moto v entilador, sistema de escape y de admisión. 3. MARCO TEÓRICO 3.1. MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA. Un motor de combustión interna es una máquina que mezcla oxígeno con combustib le gasificado. Una v ez mezcla dos ín timamente y confinados en un espacio denominado cámara de combustión, los gases son encendid os para quemarse (combustión). Debid o a su diseño, el motor, utiliza el calor generado por la combustión, como energía para producir el movimiento giratorio que conocemos. Existen diferentes tip os de motores de combustión interna todos funcionan u operan bajo el mismo prin cipio, los tipos de motores son: • • • •. Motor Otto Motor Diesel Motor rotario Turbina de combustión. Dentro de este proyecto será utilizado un motor de combustión interna del ciclo de Otto realiza su combustión en un ciclo termodinámico ideal en el cual, todo el calor se aporta a v olu men constante. Este ciclo consta de cuatro procesos: 1-2; Compresión adia bática, 2-3; ignición o inflamación (aporte de calor a volu men constante), 3-4; expansión adiabática y 4-1; escape de gases de combustión.. Imagen 4. Ciclo de un motor de combustión interna (Otto). 9.

(10) Imagen 5. Ciclo termodinámico en un motor de combustión interna (Otto). Para el caso de este proyecto la Univ ersidad de los Andes ha adquirido un motor de combustión interna de gasolin a corriente del ciclo de Otto de 1400 centímetros cúbicos marca Chev rolet correspondiente al modelo comercial ‘Av eo’. Motor Cilindrada (cc). Sedán 1.4 1.400 4. Cilindros Co mbustible Motor Potencia Relación de compresión Torque. Gasolina 1.4 16v , DOHC 94 HP a 6.200 rpm 9,5:1 130 Nm a 3.400 rpm. Tabla 1. Especificaciones del motor adquirido para las pruebas. 3.2. DIN AMÓMETRO O FRENO HIDRÁULICO. Un freno hidráulico (también conocid o como din amómetro hid ráulico) es una máquin a que nos sirve para medir la potencia de al eje de salida de un motor rotacional. De manera general, un freno hid ráulico puede describ irse como una bomba regenerativ a fu ncionando en sentido contrario, es decir, que en v ez de usarse la potencia de un motor para bombear agua de un lugar a otro, se utiliza el princip io de disipación de energía por fricción liquida para “frenar” un motor de combustión interna y de esta manera poder medir la potencia del motor.. 10.

(11) Imagen 6. Especificaciones del dinamómetro modelo 301-130 adquirido por la Universidad de los Andes. Para este proyecto se tiene un dinamómetro hidráulico marca KAHN serie 310-130 (Imagen 6), el cual será ensamblado al motor mediante un eje dentado y un acople (partes del dinamómetro), con el fin de encontrar la s propiedades del motor rpm máximas, torque máximo, caballa je, etc., y al mismo tiempo teniendo en cuenta el sistema de refrigeración, alimentación de aire, sistema de escape de gases y realización de diferentes pruebas a este motor.. Imagen 7. Esquemadel freno hidraulico. 11.

(12) El funcionamiento de este dinamómetro consiste en un juego de engranes, montados en una cubierta, los cuales están conectados mediante un eje rotor que a su v ez se une media nte un eje dentado al eje cigüeñal del motor, la resistencia que encuentra el rotor al girar, es igual y opuesta a la reacción que tiende a hacer girar el eje principal, el flujo de agua es controlado media nte un decodificador que es conectado a una electrov álvula. 4. OBJETIVOS 4.1. OBJETIVOS GENERALES. •. Realizar el diseño un banco de pruebas para que el que el ensamble motor – dinamómetro sea funcional.. •. Construcción del banco según el diseño, este debe soportar la s cargas generadas por la s pruebas que serán realizadas.. 4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. •. Puesta a punto del motor in clu yendo la disposición de gases de escape.. •. Puesta a punto del motor media nte la correcta in stala ción de subsistemas.. •. Prueba de la implementación dinamómetro.. •. Verificación de la selección del materia l y diseño del banco mediante las posib les fallas que serán generadas durante la s pruebas.. •. Comprobar sistema de ignición del motor mediante pruebas del sistema eléctrico.. mediante ensayos del sistema motor –. 5. METODOLOGÍA Como se menciono anteriormente la realización de este proyecto requiere del diseño de un banco de pruebas en donde se instalara tanto el motor como el din amómetro, en donde se deberá tener en cuenta la selección del materia l, a l s cargas a la que v a a ser sometid o y la s posib les falla s que sufrirá.. 12.

(13) La metodología que se siguió consistió en la revisión de la s partes que venían tanto con el motor con el dinamómetro, examinar que partes hacían falta para lograr la ignición del motor, encontrar una zona adecuada para la localiz ación del banco, análisis de cargas y posib les falla s del banco, selección del perfil y diseño del banco. 5.1. PARTES Y COMPONENTES DEL MOTOR. Se inicia por mirar los puntos de apoyo que están en el motor y de los cuales es sujetado el motor en el proceso de ensamble del automóv il, a partir de este análisis se diseñara el banco. Se tiene como prioridad o como base del diseño el tamaño y peso del motor ya que el dinamómetro se puede acomodar con mayor facilidad a un diseño ya establecid o, esta decisión se hace ya que los factores de peso y tamaño del dinamómetro no influ yen en una gran magnit ud. Para el diseño igualmente se debe tener en cuenta las partes que faltan ser ensambladas al motor como, mangueras, modulo de control (ECM ), tubería, ala mbrado, batería , moto v entilador. A contin uación en la tabla 2 se encuentra el listado de partes con las que v enía el motor. PARTES QUE VEN ÍAN CON EL MOTOR Tapa tanque Motor completo Soporte ECM expansión radiador Manguera a tubo Soporte izquierdo Conv ertidor catalít ico de agua motor M odulo control Tubo radiador bomba Base soporte motor motor de agua ECM Manguera entrada M anguera tanque cuerpo de recuperación Alambrado motor aceleración radiador Silenciador escape trasero Tubería escape delantero. M anguera superior radiador M anguera inferior radiador M anguera retorno Tanque de cuerpo recuperación radiador de aceleración Conjunto enfocador y Radia dor moto v entilador Aislador soporte motor. Soporte motor Varilla a transmisión Alambrado batería Purificador de aire completo. Silenciador escape dela ntero. Tabla 2. Listado de partes que venían con el conjunto motor.. 13.

(14) Imagen 8. Estado inicial del motor. (No incluye ensamble de partes adicionales). Cabe mencionar que el listado mencionado en la tabla 2 no in cluye la s partes necesarias para el encendid o del motor y estas part es debieron ser solicitadas posteriormente. (Tabla 3) PARTES PEN DIEN TES M AF.. Alternador. Bomba de combustible (completa). Caja de fusibles (la que v a en el motor, con fusib les). Cable que v a del moto- v entilador al ECM .. Empaque de catalizador - múltiple de escape. Disipador de calor del múltiple de escape. Guaya del acelerador.. Sensor de oxigeno. Relays bomba de gasolina. M anguera que va del filtro de aire a la mariposa del acelerador. Arnés principal tablero de instrumentos. Tablero de instrumentos. (para v er señales de error y rpm del motor) Sw it ch de arranque con llav es.. Tabla 3. Partes faltantes dentro del pedido del motor.. 14.

(15) 5.2. PARTES Y COMPONENTES DEL DINAMÓMETRO. El dinamómetro cuenta con unas partes adicionales que permitirán su correcto desempeño y que se deben tener en cuenta dentro del diseño del mismo. PARTES DIN AMÓMETRO Tornillos de seguridad. Caja de control. (Fijación dinamo con el banco) Electroválv ula.. M anual del usuario.. Cable de adquisición de datos.. Eje conector.. Pesas de balanceo.. Plato de unión con el v olante.. Montaje o base para motores diesel. Tabla 4. Partes del dinamómetro.. 5.3. SELECCIÓN DEL MATERIAL Y PERFIL DEL BAN CO. Teniendo en cuenta las necesid ades, subsistemas, mantenimiento y requerimientos se procede a la selección del materia l y al perfil que mejor se adapte para la estructura. El motor pesó 350 kilogramos y el din amómetro pesó 85 kilogramos es decir que el conjunto pesará 435 kilogramos, y si se tienen en cuenta las v ibraciones producidas por el sistema es necesario que el banco sea robusto y soporte estas fuerzas por tal razón se desea que el material sea estructural. Es necesario que el banco sea construid o en un perfil estructural dadas la s cargas y vib raciones a las que se v erá sometido, por lo tanto se inv estigaron todos los posib les perfiles estructurales que se encuentran en el mercado colombia no y se encontró que los perfiles que más se adecuan a la s necesidades en formas como C, I, o tubula r cuadrado. Como se menciono anteriormente existen tres potenciales causas de falla para el banco estas son falla por flexión, pandeo o falla por la s alt as v ibraciones, por lo tanto el perfil que será seleccionado es aquel que resista de mejor manera estas potenciales casusa de falla . El material que fue seleccionado es un acero A36, esto se debe a que es un acero de fácil consecución, los prov eedores locales lo dan certificado y se ofrece la variedad de perfiles deseados, igualmente como conclusión de proyectos de grado anteriores (Carranza Vidal, 2007) podemos definir que el calibre más apropia do que debe llev ar 15.

(16) el perfil es de 2 milímetros para ev itar sobredimensionamiento y exceso de peso del banco conociendo esto la s especificaciones de este acero son: 200. 290 00. 250. 363 00. 0,260 7,85 /. 0,284 /. La selección del perfil estará determin ada por los siguientes factores: • Inercia • Costos • Fácil manipulación. INERCIA Perfil en C. Imagen 9. Propiedades dimensionales y mecánicas de la opción del perfil en C.. 16.

(17) Perfil en I. Imagen 10. Propiedades dimensionales y mecánicas de la opció n del perfil en I.. Para este perfil se tuvo en cuenta el primer perfil ofrecid o por aceros COLMENA.. Imagen 11. Perfiles en I y H ofrecidos en el mercado Colombiano.. 17.

(18) Tubular cuadrado. Imagen 12. Propiedades dimensionales y mecánicas de la opción tubular cuadrado.. Como se puede observ ar el perfil en ‘‘I’’ (Imagen 9) es el de mayor inercia por lo que se constituiría en nuestra primera opción seguid o por el tubula r y cuadrado y por último el perfil en ‘‘C’’. FÁCIL MAN IPULACIÓN Todas las opciones son de fácil maleabilidad pero por proyectos anteriormente realizados se tiene que el perfil en ‘‘C’’ ofrece mayores prestaciones y permit e que los subsistemas sean instalados con mayor facilidad, es más liv iano y adicionalmente en caso de ser necesario re trabajos y/o adaptaciones se pueden realizar con mayor rapid ez. Teniendo en cuenta lo anterior la decisión estará entre el perfil en ‘‘I’’ y el perfil en ‘‘C’’, por lo que nuestro factor de decisión serán los costos. COSTOS Al dirigirse al prov eedor soluciones tubula res (Calle 15 N 22-67, Paloquemao, Bogotá) el costo del perfil en ‘‘I’’ es de 60.000 COP por 6 metros mientras que el del perfil en ‘‘C’’ es de 22.000 COP por 6 metros, por lo tanto el perfil en ‘‘C’’ es la opción más económica dado que se cuentan con 515.000 COP para el proyecto y se necesitan más materia les.. 18.

(19) Siendo la inercia un fa ctor de importancia, se escogería el perfil en ‘‘I’’ sobre el perfil en ‘‘C’’, ya que la las resistencia mecánica prima sobre los costos pero si se rev isa la in ercia del perfil en ‘‘C’’, se puede observ ar que no es un v alor malo o deficiente y que el mismo que origine una falla prematura, siendo los costos nuestro segundo factor de importancia se selecciona el perfil en ‘‘C’’ como el adecuado, para realizar el banco.. Imagen 13. Perfil seleccionado.. 5.4. Imagen 14. Medidas del perfil en ‘‘C’’.. DISEÑ O DEL BAN CO. Como se menciono anteriormente este perfil en ‘‘C’’ va a permit ir la facilidad en la in stala ción de sub sistemas como radia dor, alternador, tubo de escape, etc. Por lo que paso seguid o a la selección se debe realiz ar el diseño. Dentro de la s partes que aparecen en la tabla 2 se encuentra el soporte que se usa originalmente en el modelo AVEO, que de ahora en adelante será soporte principal (SP) por lo tanto este se tendrá en cuenta dentro del diseño con el fin de poder realizar la unión banco-motor y soportar mejor la s v ib raciones originadas por este. Una v ez se conocen todas las partes necesaria s y las medidas tanto del motor como del dinamómetro se in icia el proceso de diseño del banco de pruebas, para este proceso se deben tener en cuenta algunas necesidades como:. 19.

(20) • • • • • • •. Dimensiones y pesos de cada uno de los componentes. Altas v ibraciones ejercidas por el motor al momento de ser frenado. Espacio necesario para realizar cambios de filtros, mangueras o subsistemas. Que pueda ser desplazado de un lugar a otro fácilmente. Banco livia no. Fácil montaje del ensamble motor – din amo. Zonas de adecuación dentro del laboratorio.. Al contar con el soporte principal anteriormente mencionado el banco debe tener un trav esaño en donde sea in stala do este soporte y sea un punto de fija ción del motor, igualmente, para cumplir con la necesidad de que pueda ser despla zado con facilid ad deben ser instaladas unas ru edas que soporten el peso del conju nto. También para el diseño se debe tener en cuenta el espacio para mantenimiento y adecuación de subsistemas por lo tanto debe ser amplio y con fácil acceso a cualquiera de sus partes, lo anterior igualmente aplica para el dinamómetro ya que se le debe instala r una electrov álvula que controla el flujo de agua y la caja de control. Teniendo en cuenta lo anterior se tiene una id ea preliminar como la que parece a contin uación:. Imagen 15. Diseño inicial del banco de pruebas. Al realizar este diseño se presento el problema que la fija ción del dinamómetro no era lo suficientemente rígid a para soportar las v ib raciones dadas por el motor y muy probablemente se presentaría una falla prematura del eje de unión entre el motor y el dinamómetro. Por lo tanto se realizaron las modificaciones necesaria s y en adición se inclu yeron las llantas quedando:. 20.

(21) Imagen 16. Segundo diseño del banco de pruebas. En la imagen 14 se puede observ ar que al lado izquierdo se cumple con un espacio amplio para a l in stala ción del motor y fácil acceso para la adecuación de subsistemas y mantenimiento, igualmente al la do derecho se instala rá el dinamómetro, en un espacio mas reducido pero con dos travesaños sobre el eje X que permit irán la fija ción adecuada, cuando se realizaron estas modificaciones se rev iso como el banco soportaría las altas vib raciones a las que puede ser sometido e igualmente como estas sería n transmit id as o soportadas por el conju nto motordinamómetro. Por lo tanto fue necesario realizar nuev amente unas modificaciones que hicieran que el banco soport ara de una mejor manera las v ib raciones y el dinamómetro no sufriera daños.. 21.

(22) Imagen 17. Diseño final del banco de pruebas.. Se puede v er que se inclu yo un trav esaño adicional sobre el eje Y el cual permit ió la in stala ción de dos soportes de motor adicionales o ‘‘mogolla s’’ junto con unas columnas que v an atornilladas al bloque del motor, esto permite que el banco soporte mejor la s v ib raciones del motor y así mismo el dinamómetro. A comienzos de esta sección se menciono la idea de usar uno de los soportes originales del modelo que de aquí en adela nte será denominado soporte principal, con el fin de que la s v ib raciones generadas por el motor se soportarán de manera adecuada, para tal hecho fue necesario realizar unas modificaciones al soporte para que este se pudiera ensambla do en el banco. En el trav esaño superior del eje Y se ubicara el soporte prin cipal, como se muestra en la imagen que aparece a continuación el soporte principal consta de tres oreja s que van a ser usadas dentro del banco.. 22.

(23) 1. 3. 2. Imagen 18. Soporte en su estado original.. Las oreja s que se encuentran en paralelo 1 y 2 no sufrieron modificaciones pero el soporte prin cipal al ser descansado sobre el travesaño permit ía que existiera una lu z que haría fallar los tornillos de sujeción por la vibración por lo tanto fue necesario adecuar dos tacos de madera uno para cada oreja para eliminar esta v ib ración. La oreja tres fue necesario cortarla para adecuarla al diseño del banco, como se muestra en la imagen 16 a contin uación.. 1. 2. 3 Imagen 19. Soporte modificado para ser usado en el banco.. 23.

(24) Este din amómetro está diseñado para soportar v ibraciones aún más altas de las que llegará a soportar con el motor a gasolina de 1400 centímetros cúbicos según las especificaciones dadas por el fabricante. Como se puede v er en la próxima imagen en una prueba realizada por el fabricante a un motor CUMMINS diesel de 360bhp el dinamómetro va in stala do como v oladiz o, por lo que el diseño de este banco está basado en esta imagen y se in stalo de una manera similar al mismo.. Imagen 20. Montaje del dinamómetro KAHN en un motor Diesel Cummins 12litros de 360bhp.. 5.5. VERIFICACIÓN DE LA SELECCIÓN DEL MATERIAL Y DISEÑO DEL BAN CO.. Para v erificar si el diseño del banco y la selección del material del mismo fue adecuado se procedió a analizar la s tres potencia les causas de falla del banco y cada una de ella s se estudio con la s posib les selecciones de material, lo anterior teniendo como base el banco de pruebas realizado en un proyecto de grado anterior realiz ado por Jonathan Carra nza en el 2007. FALLA POR FLEXIÓN . Como se pudo observar en la imagen 16, el soporte princip al está ubicado sobre el trav esaño superior del eje Y, esto hace que el peso del conjunto motor-din amo sea soportado por este trav esaño lo que genera un esfuerzo de flexión en el trav esaño y es necesario estudia r si tanto el diseño como el banco soportarán esta carga. Este análisis se realizará como un caso en estática y con una carga puntual, para este análisis se tiene: 350. 3 ,43. 85. 0,83. 50. 0,49 24.

(25) 485. 4,75. Como el banco se diseño para soportar hasta 540 kilogramos se tendrá un factor de seguridad de 1,1 y se realizaran todos los cálculos suponiendo que las cargas que soportara el banco serán de 540 kilogramos. 485. 4,75. 540. 5,29. 5,29 4,75. 1,1. Media nte el uso del programa MDSolids se determinaran la s reacciones, y los esfuerzos máximos a flexión que soportara el trav esaño para corroborar que tanto el diseño como la selección del perfil fueron correctos. Como: Σ. 5,29 2 ,65. 0. ; ;. Σ. Σ. 5,29 5,29. 450. 450. 900 900. 0. 0. Imagen 21. Diagramas de cortante y de flexión generados por la carga Pmax.. 25.

(26) Imagen 22. Diagramas de pendiente y de deflexión generados por la carga Pmax.. El esfuerzo máximo estará determinado por: 119 2,50 31,75 275365 ,82. 0,13. Si el esfuerzo a la fluencia del acero A36 es de 250MPa quiere decir que este trav esaño no falla ra por flexión debido a la carga sometida por el motor-dinamo. Igualmente se podrán incluir subsistemas o cargas adicionales hasta 925,11 kN, que es la carga máxima que soportará la v iga.. 26.

(27) Imagen 23. Carga máxima soportada por el travesaño superior en el eje Y.. FALLA POR PANDEO. Para este análisis y teniendo en cuenta el diseño escogid o la s colu mnas del perfil en C soportará n la s cargas, en caso de generarse una falla por pandeo esta se ubicara en los ángulos de acero A36 que están soportando el motor en uno de los extremos. 1 0,13. 130. 0,3. 300 2. 2. /. 1 200 10 250 10. /. 125 ,66. 350 Conociendo estas constantes se realiza el análisis de cargas soportadas por los ángulos.. 27.

(28) Angulo A. 12925,74 229 130 7,51. 17,30. Angulo B. 12925,74 229 300 7,51. 39,93. Las cargas que soportarán los ángulos no generaran falla por pandeo dada su baja relación de esbeltez, esto se comprueba con el análisis de pandeo en colu mnas suponiendo un comportamiento tip o Johnson y uno Euler.. Imagen 24. Angulo de 1''x1/8'' que se uso para soportar un extremo del motor. 28.

(29) Imagen 25. Análisis suponiendo un comportamiento Euler.. Imagen 26. Análisis suponiendo comportamiento Johnson. 29.

(30) FALLA POR VIBRACIONES. De acuerdo a la s especificaciones del dinamómetro tanto el eje como los engranes soportan hasta 7500RPM. Según las especificaciones de este motor la potencia máxima ocurre a 6200RPM, lo anterior indica que el eje de unión no entrara en una v elocidad angula r crít ica en la cual el niv el de v ibra ciones sea tal que pueda entrar en resonancia y como consecuencia falle siempre y cuando no se superen la s 6500RPM. El diseño hace uso del soporte principal, usado en el ensambla je del modelo para que el banco soporte de una manera adecuada la s cargas y la s v b i raciones que soporte el mismo sean lo menor posib le, los soportes adicionales también son usados por un automóvil del mercado.. Imagen 27. Soportes usados para disminuir las vibraciones en el banco.. 30.

(31) Imagen 28. Soportes usados para disminuir las vibraciones en el banco.. Imagen 29. Soportes usados para disminuir las vibraciones en el banco.. 5.6. IN STALACIÓN SUBSISTEMAS DEL MOTOR.. Sistema de refrigeración. La incidencia del sistema de refrigeración en el desempeño de un motor es muy importante. La estabilidad en la temperatura es sinónimo de buen desempeño y datos confia bles durante la s pruebas.. 31.

(32) La temperatura excesiv a impid e el correcto funcionamiento del motor y dará como resultado desgaste prematuro en las partes internas del motor y daños irreparables.. Imagen 30. Montaje radiador y motoventilador en el banco.. Imagen 31. Montaje del radiador en el banco.. 32.

(33) Sistema eléctrico y electrónico. En este tip o de motores las conexiones eléctricas y electrónicas son necesaria s para el correcto funcionamiento de muchos sistemas e instrumentos: arranque del motor, accesorios, tablero de instrumentos, etc. y controla subsistemas como bomba de combustib le, alternador y ECM. El sistema eléctrico consta básicamente de los siguientes componentes: • • • • •. Batería Alternador Alambrado principal Caja de fusib les Modulo de control. (ECM). Imagen 32. Conexión alambrado principal batería - arranque.. 33.

(34) Imagen 33. Alternador. Imagen 34. ECM conectado al alambrado principal.. 34.

(35) Sistema de alimentación de aire.. Imagen 35. Manguera principal de aire al motor.. Imagen 36. Filtro de aire instalado. parte izquierda imagen.. 35.

(36) Tablero de instrumentos. Al momento de exigir el motor, para que alcance su régimen máximo, es necesario monitorearlo. Para ello se requiere un tacómetro, este motor cuenta con limitador de RPM. Estos instrumentos electrónicos, desactiv an el encendid o, una vez que se alcanza el régimen máximo recomendado de 6000RPM por la s especificaciones del dinamómetro por tal razón el motor no debe ser operado al máximo de RPM . Superar el límit e de rev oluciones puede traer consecuencias graves en biela s, pistones, v álv ulas, cigüeñal y el dinamómetro, en el caso de no ocurrir alguna fractura ev id ente que impid a el funcionamiento de la máquina, generalmente es sólo apariencia . Los componentes quedan resentid os.. Imagen 37. Ensamble subsistemas completos. Incluye tablero de control.. 36.

(37) 5.7. EN SAMBLE MOTOR-DIN AMÓMETRO.. Para el ensamble se usaron la s piezas que aparecen a continuación en las imágenes: 1. Sujetador en blanco. 2. Engrane de unión. 3. Volante del dinamómetro. El sujetador fue necesario maquinarlo para que exista una unión adecuada entre el volante del motor con el freno hidráulico.. Imagen 38. Piezas necesariospara el ensamble motor-dinamo. 37.

(38) MAQUINADO PIEZA DE UN IÓN. Los pasos para realizar el maquin ado fueron: 1. Torneado. Imagen 39. Torneado de la pieza de unión.. Imagen 40. Pieza de unión terminada.. 38.

(39) 2. Realización huecos pasantes. (Fresa y div isor). Imagen 41. Pieza de unión durante la realización de los agujeros.. Imagen 42. Pieza de unión durante la realización de los agujeros.. 39.

(40) 3. Bujes metálicos. Como existía un espacio entre la pieza de unión y el v olante dada la geometría del mismo fue necesario diseñar unos bujes metálicos para disminuir el esfuerzo de torsión soportado por los tornillos al momento de la prueba, que cubrieran con el espacio entre la pieza y el v olante.. Imagen 43. Construcción bujes.. Imagen 44. Bujes metalicos.. 40.

(41) Los tornillos de sujeción fueron de difícil conseguir dado su materia l, alta resistencia a esfuerzos cortantes, paso y longit ud. La unión debe asegurar que al momento del freno hid ráulico ser accionado no se presente falla no cabeceo excesivo del dinamómetro.. Imagen 45. Ensamble de la piezade unión al volante.. 6. RESULTADOS.. Imagen 46. Banco a nivel lo que asegura correcto funcionamiento.. 41.

(42) Imagen 47. Diseño del banco final con el conjunto motor-dínamo ensamblado.. Imagen 48. Diseño del banco final con el conjunto motor-dínamo ensamblado.. 42.

(43) 7. CON CLUSION ES. •. El diseño cumple con los objetiv os alcanzados, es funcional, soporta las vib raciones, es liv iano y se puede mov er de un la do a otro con facilidad.. •. Los cálculos comprobaron al correcta selección del materia l prev ienen falla por flexión, pandeo y vibraciones.. •. Los tornillos de fijación de la pieza de unión al v ola nte cumplen con especificaciones dadas por el prov eedor del motor para soportar los esfuerzos de torsión.. •. Se logro disminuir la s v ib raciones que soporta el banco mediante el uso adecuado de soportes de motor usados en la industria automotriz .. •. Este proyecto es una buena base para futuros proyectos de inv estigación y realización de pruebas de motores de combustión interna, cumple con las condiciones requerid as de seguridad.. 8. RECOMENDACION ES. •. Las 6000RPM no deben ser superadas por seguridad y preserv ación del dinamómetro.. •. Realizar un programa de mantenimiento prev entiv o en todos los elementos conformados o creados en el desarrollo de este proyecto.. •. Poner frenos a a l s ruedas de la bancada con el fin de fijarla al piso.. •. Realizar la conexión necesaria para adaptar la salida de escape de gases del motor con el sistema de extracción que tiene el laboratorio de conv ersión de energía.. •. Realización de manuales, con el fin de que la s pruebas sean conducid as de manera correcta y se logren buenos resultados.. 43.

(44) 9. BIBLIOGRAFÍA CON SULTADA Y POR CONSULTAR. 1. Borman, Gary L. Combustion Engineerin g, McGraw Hill. 1998 2. Que es un dinamómetro de motor. http://www .dynamometerinfo.co.uk/engin e-dynamometer.htm. Recuperado el 26 de Octubre de 2009. 3. Intake Valv e Deposit Testing Using an Engine Dynamometer Procedure. http://www .sae.org/technical/papers/922261. Recuperado el 26 de Octubre de 2009. 4. Hydraulic dynamometers, automotiv e http://www .kahn.com/hydraulic/dynamometers.html. Recuperado el 26 de Octubre de 2009. 5. Rodríguez, Juan Felipe. RESTAURACIÓN Y ACTUALIZACIÓN DEL DINAM OM ETRO “HH DYNAM OM ETER”, Proyecto de grado facultad de ingeniería, Univ ersidad de los Andes, Departamento de Ingeniería Mecánica. Segundo semestre 2006. 6. Carranza, Jonathan. MANUFACTURA Y MONTAJE DE ELEMENTOS PARA EL BANCO DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA, Proyecto de grado facultad de in geniería , Univ ersidad de los Andes, Departamento de Ingeniería Mecánica. Primer semestre 2007. 7. http://www .everytime.cummins.com/ev ery/applications/euro_truck_bus/IS Me.page. Tomado el 23 de Mayo de 2010. 8. Método de una prueba estándar para la ev alu ación de un dinamómetro en motores de combustión interna. ASTM D6201-04. 9. http://www .chev rolet.cl/v ehiculos/Autos/Av eo/Av eo-Sedan.html. Recuperado el 6 de nov iembre de 2009. 10. Los cuatros tiempos de un motor de combustión interna Otto https://intranet.matematicas.uady.mx/portal/leamos_ciencia/VOLUMEN_I/ ciencia2/39/imgs/pet09p038.gif. Tomado el 17 de M ayo de 2010. 11. http://www .todomotores.cl/competicion/refrigeracion_motor.htm. Tomado 26 de Mayo de 2010. 44.

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