Manufactura y montaje de elementos para el banco de motores de combustión interna

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(1)MANUFACTURA Y MONTAJE DE ELEMENTOS PARA EL BANCO DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA. PROYECTO DE GRADO JONATHAN CARRANZA VIDAL. FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2008 MANUFACTURA Y MONTAJE DE ELEMENTOS PARA EL BANCO DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA.

(2) Jonathan Carranza Vidal Proyecto de grado para optar por el título de Ingeniero Mecánico. Profesor Asesor: MSc, Rafael Guillermo Beltrán Pulido. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2008.

(3) TABLA DE CONTENIDOS RESUMEN ...................................................................................................................................... 5 1.. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 6. 2.. OBJETIVOS ............................................................................................................................. 7. 3.. 2.1.. OBJETIVO GENERAL........................................................................................................ 7. 2.2.. OBJETIVOS ESPECÍFICOS................................................................................................. 7. MARCO TEÓRICO ................................................................................................................... 8 3.1.. El banco de motores de combustión interna.................................................................. 8. 3.2.. El motor de combustión interna .................................................................................... 9. 3.2.1.. MCI ciclo Otto......................................................................................................... 9. 3.2.2.. MCI ciclo Diesel .................................................................................................... 10. 3.3.. 4.. El freno hidráulico........................................................................................................ 11. 3.3.1.. Funcionamiento ................................................................................................... 11. 3.3.2.. Validación de diseño ............................................................................................ 13. 3.4.. La bancada (estructura) ............................................................................................... 16. 3.5.. Elementos de fijación y transmisión de potencia......................................................... 17. 3.6.. Toma de datos ............................................................................................................. 18. METODOLOGÍA.................................................................................................................... 20 4.1.. Fundición y maquinado de carcasas............................................................................. 20. 4.2.. Maquinado y adquisición de bridas y tornillos............................................................. 23. 4.3.. Maquinado del eje para el freno.................................................................................. 25. 4.4.. Caracterización y adquisición de los sellos mecánicos y O-rings. ................................. 25. 4.5.. Caracterización y adquisición de los rodamientos del freno. ....................................... 27. 4.6.. Caracterización y adquisición de los rodamientos y soportes del eje........................... 28. 4.7.. Caracterización y adquisición de la celda de carga....................................................... 30. 4.8.. Puesta a punto del motor de combustión interna de RENAULT 9. ............................... 30. 4.9.. Ensamble freno. ........................................................................................................... 31. 4.10.. Ensamble bancada y motor...................................................................................... 33. 4.11.. Ensamble unión universal-freno-motor. .................................................................. 34. 1.

(4) RESULTADOS ....................................................................................................................... 36. 5.. 5.1.. Freno hidráulico........................................................................................................... 36. 5.2.. Elementos de sujeción y transmisión de potencia ....................................................... 37. 5.3.. Banco de motores de combustión interna ................................................................... 38. ANÁLISIS DE RESULTADOS ................................................................................................... 40. 6.. 6.1.. Acabados y tolerancias dimensionales......................................................................... 40. 6.2.. Análisis de vibraciones................................................................................................. 41. 7.. CONCLUSIONES.................................................................................................................... 41. 8.. RECOMENDACIONES............................................................................................................ 42. 9.. REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA............................................................................................. 43. 10.. ANEXOS ........................................................................................................................... 45. Planos.......................................................................................................................................... 45. 2.

(5) TABLA DE ILUSTRACIONES. Ilustración 1. MCI Otto: Procesos ................................................................................................... 9 Ilustración 2. MCI Otto: Ciclo termodinámico............................................................................... 10 Ilustración 3. MCI Diesel: Procesos............................................................................................... 11 Ilustración 4. MCI Diesel: Ciclo termodinámico............................................................................. 11 Ilustración 5. Sección transversal bomba regenerativa ................................................................. 12 Ilustración 6. Sección longitudinal bomba regenerativa................................................................ 13 Ilustración 7. Diseño inicial eje freno............................................................................................ 14 Ilustración 8. Propuesta eje rediseñado ....................................................................................... 14 Ilustración 9. SIMULACIÓN POR ELEMENTOS FINITOS PARA EL EJE (ALGOR®) ............................... 16 Ilustración 10. Bancada para el BMCI ........................................................................................... 17 Ilustración 11. ESQUEMA FUNCIONAMIENTO CELDA DE CARGA................................................... 19 Ilustración 12. FOTORENDER ESTATOR DE EXTREMO ................................................................... 20 Ilustración 13. FOTOGRAFÍA REAL ESTATOR DE EXTREMO ............................................................ 21 Ilustración 14. FOTORENDER ESTATOR MITAD ............................................................................. 21 Ilustración 15. FOTOGRAFÍA REAL ESTATOR CENTRAL ................................................................. 22 Ilustración 16. FOTORENDER ROTOR (IZQUIERDA) FOTOGRAFÍA REAL ROTOR (DERECHA)............ 22 Ilustración 17. SIMULACIÓN POR ELEMENTOS FINITOS PARA EL ROTOR (ALGOR®) ...................... 23 Ilustración 18. FOTORENDER BRIDA ............................................................................................. 24 Ilustración 19. FOTORENDER TORNILLO FIJACIÓN BRIDA.............................................................. 24 Ilustración 20. FOTOGRAFÍA TORNILLO FIJACIÓN BRIDA............................................................... 24 Ilustración 21. FOTORENDER EJE .................................................................................................. 25 Ilustración 22. FOTORENDER O RING............................................................................................ 26 Ilustración 23. FOTOGRAFÍA O RING............................................................................................. 26 Ilustración 24. FOTOGRAFÍA SELLO MECÁNICO ............................................................................ 27 Ilustración 25. FOTORENDER RODAMIENTO AUTOALINEANTE ..................................................... 28 Ilustración 26. FOTOGRAFÍA RODAMIENTO AUTOALINEANTE ...................................................... 28 Ilustración 27. FOTORENDER UNIDAD CON RODAMIENTO ........................................................... 29 Ilustración 28. FOTOGRAFÍA UNIDAD CON RODAMIENTO ............................................................ 29 Ilustración 29. FOTOGRAFÍA CELDA DE CARGA ............................................................................. 30 Ilustración 30. FOTOGRAFÍA ESQUEMÁTICA DE UN MOTOR GM MODERNO................................. 31 Ilustración 31. FOTOGRAFÍA ELEMENTOS QUE CONFORMAN EL BMCI ......................................... 32 Ilustración 32. FOTOGRAFÍA MONTAJE DEL FRENO HIDRÁULICO .................................................. 33 Ilustración 33. ENSAMBLE BANCADA Y MOTOR............................................................................ 34 Ilustración 34. FOTOGRAFÍA ENSAMBLE UNIÓN UNIVERSAL........................................................ 34. 3.

(6) Ilustración 35. FOTOGRAFÍA UNIÓN UNIVERSAL-MOTOR ............................................................. 35 Ilustración 36. FOTORENDER FRENO ............................................................................................ 36 Ilustración 37. FOTOGRAFÍA FRENO HIDRÁULICO MONTADO EN BMCI ........................................ 37 Ilustración 38. FOTOGRAFÍA SOPORTES CON RODAMIENTO MONTADOS EN BMCI....................... 38 Ilustración 39. FOTORENDER BMCI............................................................................................... 38 Ilustración 40. FOTOGRAFÍA BMCI................................................................................................ 39 Ilustración 41. FOTOGRAFÍA BMCI 2............................................................................................. 40. 4.

(7) RESUMEN En este proyecto de grado se realizo la manufactura y el montaje de los elementos que conforman el banco de combustión interna ubicado en el laboratorio de conversión de energía de la Universidad de Los Andes. Es presente trabajo muestra la forma como fueron adquiridos, manufacturados y montados elementos como la bancada, el freno hidráulico, unión universal entre el freno el motor y la celda de carga, entre otros. También se presentan algunas simulaciones por análisis de elementos finitos para la validación de algunas piezas.. 5.

(8) 1. INTRODUCCIÓN Un banco de motores de combustión interna se utiliza para la adquisición y toma de datos de velocidad angular, par motor, potencia y consumo de combustible, entre otros. Estos datos sirven para realizar curvas de caracterización y optimización de diversos motores. Históricamente, varios estudiantes de ingeniería mecánica de la Universidad de Los Andes han trabajado en sus proyectos de grado de una u otra forma en el diseño, construcción, adecuación y pruebas de bancos de motores diesel o motores a gasolina. Sin embargo, por diversas razones, estos bancos de motores se deterioran rápidamente y al cabo de un par de semestres ya no pueden ser utilizados por estudiantes o por profesores que desean realizar prácticas de laboratorio en ellos. Con la construcción de los recientes (2008) laboratorios de ingeniería ubicados en el edificio Mario Laserna (Campus Universidad de Los Andes), surge la idea de diseñar y construir un banco de motores robusto que tenga la capacidad de trabajar con diferentes tipos de motores de automóviles y hasta un motor de un vehículo 4x4. Así pues, se rediseño y construyo una bancada (estructura) que cumple con las características necesarias para alojar un motor de combustión interna con su respectivo freno hidráulico y batería y que pueda funcionar en el espacio destinado en el Laboratorio de Conversión de Energía. Este trabajo de rediseño de la bancada para el banco de motores de combustión interna se realizo como parte del Problema Especial titulado “Rediseño del Banco de Motores” realizado por Jonathan Carranza Vidal (Carranza Vidal, 2007) en el semestre 2007-2. Paralelamente (2007-2) el estudiante Juan Paulo Álvarez (Alvarez D., 2008), realizo el diseño y parte de la fabricación del freno hidráulico que se utilizara en el banco.. 6.

(9) Se espera que en un futuro no muy lejano los laboratorios de la universidad se doten con motores nuevos que permitan mejorar sustancialmente el laboratorio de conversión de energía permitiendo a los estudiantes sacar un mayor provecho en la práctica.. 2. OBJETIVOS 2.1. OBJETIVO GENERAL Realizar la manufactura y posterior ensamblaje de los elementos que conforman el banco de motores de combustión interna ubicado en el laboratorio de conversión de energía.. 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 2.2.1. Realizar la manufactura y construcción del freno hidráulico que se utilizara en el banco de motores de combustión interna. 2.2.2. Caracterizar y adquirir un soporte para la unión universal (tipo cardan) que conecta el eje del motor y el eje del freno hidráulico. 2.2.3. Caracterizar y adquirir una celda de carga para, para medir el momento par transmitido por el motor. 2.2.4. Ensamblar y adquirir los elementos de fijación para el motor, el freno hidráulico, la unión universal, el soporte para la unión universal y la bancada (estructura).. 7.

(10) 3. MARCO TEÓRICO 3.1. El banco de motores de combustión interna Un banco de motores de combustión interna (en adelante BMCI) es un dispositivo con la capacidad de realizar mediciones que nos permiten estandarizar y cuantificar las variables que gobiernan el funcionamiento de un motor de combustión interna (en adelante MCI). Un MCI es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de energía química producida por un combustible que se inflama dentro de una cámara de combustión1. Los MCI se pueden clasificar en: Ítem. Tipo. 1. Motor ciclo Otto. 2. Motor Diesel. 3. Motor rotatorio. 4. Turbina de combustión Tabla 1. Clasificación MCI. De manera particular, el BMCI desarrollado durante este proyecto de grado, tendrá la capacidad de trabajar con MCI del tipo 1 y 2 relacionados en la Tabla 1. Así pues, un BMCI mide variables como: el consumo de combustible, consumo de aire, emisiones de gases, emisiones de material particulado, velocidad angular del eje de salida del motor, par motor, potencia, entre otros. (Ver: 3.6 Toma de datos).. 1. Parafraseado de http://es.wikipedia.org : Motor de Combustión Interna. Sitio web visitado el 21/Junio/2008. 8.

(11) 3.2. El motor de combustión interna Teniendo en cuenta que el BMCI que se desarrollo durante este proyecto de grado, solo trabajara con MCI del tipo 1 y 2 listados en la Tabla 1, solo se dará un breve resumen del comportamiento del MCI ciclo Otto y el MCI ciclo Diesel.. 3.2.1. MCI ciclo Otto Este es el MCI utilizado por la gran mayoría de los automóviles a nivel mundial. El MCI ciclo Otto realiza su combustión en un ciclo termodinámico ideal en el cual, todo el calor se aporta a volumen constante. Este ciclo consta de cuatro procesos: 1-2 Compresión adiabática, 2-3 ignición o inflamación (aporte de calor a volumen constante), 3-4expansión adiabática y 4-1 escape de gases de combustión.. 2. Ilustración 1. MCI OTTO: PROCESOS. 2. Tomado de: http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/39/imgs/pet09p038.gif Sitio WEB visitado el 21/Junio/2008. 9.

(12) Ilustración 2. MCI OTTO: CICLO TERMODINÁMICO3. Entonces, la energía (poder calorífico) contenida en el combustible es transmitida al cigüeñal y a su vez, al eje de salida del motor por medio del avance constante de los pistones. La eficiencia de un MCI ciclo Otto oscila entre un 20-25% en promedio.. 3.2.2. MCI ciclo Diesel Este es el tipo de MCI que día tras día tiene más auge debido a que el ciclo Diesel tiene mayor eficiencia en comparación con el ciclo Otto (hasta un 40% de eficiencia). A diferencia del ciclo Otto, el motor Diesel logra la ignición del combustible con la combinación entre alta temperatura y alta presión. Las relaciones de compresión del aire al interior de la cámara de combustión son del orden de 14:1 en comparación con las 8:1 de los motores a gasolina ciclo Otto.. 3. Tomado de: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/46/T_cycle_otto.png/300pxT_cycle_otto.png . Pagina Web visitada el 01/Julio/2008. 10.

(13) Ilustración 3. MCI DIESEL: PROCESOS4. Ilustración 4. MCI DIESEL: CICLO TERMODINÁMICO5. 3.3. El freno hidráulico 3.3.1. Funcionamiento. 4. Tomado de: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/61/T_cycle_diesel.png/800pxT_cycle_diesel.png . Pagina Web visitada el 01/Junio/2008 5 Tomado de: http://members.fortunecity.es/100pies/mecanica/fotosmecanica/diesel14.jpg . Pagina Web visitada el 01/Junio/2008. 11.

(14) Un freno hidráulico (también conocido como dinamómetro hidráulico) es una máquina que nos sirve para medir la potencia de al eje de salida de un motor rotacional. De manera general, un freno hidráulico puede describirse como una bomba regenerativa funcionando en sentido contrario, es decir, que en vez de usarse la potencia de un motor para bombear agua de un lugar a otro, se utiliza el principio de disipación de energía por fricción liquida para “frenar” un motor (MCI en este caso en particular) y de esta manera poder medir la potencia de dicho motor. El freno hidráulico consiste en un disco (rotor), montado en una cubierta (estator), la cual contiene un fluido. La resistencia que encuentra el rotor al girar, es igual y opuesta a la reacción que tiende a hacer girar el estator. (Alvarez D., 2008). Ilustración 5. SECCIÓN TRANSVERSAL BOMBA REGENERATIVA6. 6. Tomado de: http://www.mthpumps.com/turbine.html Sitio WEB visitado el 22 Junio 2008. 12.

(15) 7. Ilustración 6. SECCIÓN LONGITUDINAL BOMBA REGENERATIVA.. Para mayor información sobre el funcionamiento y diseño del freno hidráulico, véase (Alvarez D., 2008). Este documento se encuentra disponible en la Biblioteca de la Universidad de Los Andes. 3.3.2. Validación de diseño Adicional al diseño propuesto en el proyecto de grado de la referencia 1] (Alvarez D., 2008) se realizaron rediseños en el eje y en los estatores del freno. Con el fin de dar mayor apoyo al freno sobre la bancada, se decidió alargar el eje del diseño inicial el cual solo soportaba el freno en uno de sus extremos.. 7. Tomado de: http://www.mthpumps.com/turbine.html Sitio web visitado el 22/Junio/2008. 13.

(16) 8. Ilustración 7. DISEÑO INICIAR EJE FRENO. Después de analizar, se propuso el siguiente diseño y validación:. Ilustración 8. PROPUESTA EJE REDISEÑADO. El eje propuesto en la ilustración 8 presenta dos cambios fundamentales respecto al diseño inicial. El primer cambio hace referencia a la longitud del eje la cual paso 8. Tomado de: Alvarez D., J. P. (2008). Diseño y construccion de un freno hidraulico. Bogota: Universidad de Los Andes. Pagina 56.. 14.

(17) de 551.18mm a 824mm. Esta ampliación en la longitud permite al freno hidráulico, estar soportado en ambos extremos sobre chumaceras que se acoplan al BMCI. La segunda diferencia fundamental consistió en omitir la fabricación de manguitos (de ancho 10mm). Esto último por recomendación de profesor Jaime Loboguerrero. Para la validación del diseño, se realizo un análisis por elementos finitos (análisis de tensión por carga estática), teniendo en cuenta las cargas que soportara el eje debidas al peso del mismo mas al peso de las carcasas y rotores. Adicionalmente se incluyeron las cargas transmitidas del par motor. Los resultados de la simulación arrojaron los siguientes datos:. 9. 9. Los datos para el material fueron extraídos de la pagina WEB http://www.matweb.com Sitio web visitado el 27/Mayo/2008. 15.

(18) Ilustración 9. SIMULACIÓN POR ELEMENTOS FINITOS PARA EL EJE (ALGOR®). El cambio principal en los estatores se realizo en los planos de construcción ya que el ensamble inicial presentaba interferencia en algunos puntos. Los cambios propuestos en el estator se desarrollaron durante el maquinado de las piezas. El diseño final de los estatores se presenta en los planos anexos al final de este documento. 3.4. La bancada (estructura) La bancada o estructura, es una de las piezas fundamentales en un BMCI pues es la unidad que soporta todos los elementos adicionales del BMCI tales como el freno, el motor, elementos de fijación, entre otros. Durante la realización del proyecto de problema especial (Carranza Vidal, 2007) se rediseño la bancada. Se redujeron las dimensiones principales de la estructura ganando así, una reducción significativa en peso (alrededor del 30%) y una estructura mucho más robusta. De igual manera la bancada cuenta con soportes tipo corredera que permiten el posicionamiento de cualquiera de los soportes con tres grados de libertad. Esto nos garantiza el ensamble en el BMCI de casi cualquier motor de automóvil.. 16.

(19) Ilustración 10. BANCADA PARA EL BMCI. 3.5. Elementos de fijación y transmisión de potencia En cuanto a los elementos de fijación y transmisión de potencia, se pueden destacar tres, principalmente. La unión universal tipo cardan, los rodamientos y los tornillos. Los elementos de fijación y transmisión de potencia son aquellos que brindan soporte a los diferentes elementos del BMCI y que a su vez, transmiten el par motor generado desde el MCI hasta el freno hidráulico. Para la transmisión de potencia entre el MCI y el freno hidráulico, se busco un elemento con la capacidad de transmitir un par motor entre dos ejes que pueden estar desalineados.. 17.

(20) Referente a los elementos de fijación se deben mencionar los rodamientos que aseguran el eje del freno a la bancada (ver numeral 3.4) del BMCI y los rodamientos que mantienen alineado el eje del freno con los estatores (ver planos de fabricación). Los rodamientos deben tener una cierta capacidad de carga dinámica y a su vez deben tener especificaciones que prevengan vibraciones excesivas en el eje del freno. Adicionalmente se estudian los tornillos que sirven de fijación para el freno hidráulico y que permiten que todas sus piezas estén unidad por medio de bridas (ver planos de fabricación). Para los tornillos se debe estudiar la capacidad de carga que deben soportar de forma tal que brinde un factor de seguridad confiable. 3.6. Toma de datos La toma de datos es un aspecto tan extenso como el autor quiera debido a la gran variedad de variables que pueden ser medidas en un BMCI. No obstante, y para efectos de este proyecto de grado solo se estudiaran en detalle la forma de tomar datos de curvas de par motor y potencia versus velocidad angular del MCI. Sin embargo, es válido mencionar que otros tipos de datos pueden ser adquiridos en un BMCI. Los datos que pueden ser adquiridos en un BMCI incluyen: potencia real, velocidad angular (RPM) en el eje de salida del MCI, par motor generado, consumo de combustible, consumo de aire, emisiones de gases y material particulado, eficiencia energética-mecánica, relación entre el ángulo de giro del eje de levas y el “encendido” de las bujías, entre otros. En los automóviles modernos, el sistema de adquisición de datos para sus MCI es totalmente electrónico y está controlado por medio de sensores y microprocesadores. Podría decirse que cada vehículo cuenta con un computador a bordo que se encarga de brindar datos verídicos y en tiempo real al conductor. Estos datos también sirven para estimar o prevenir fallas en componentes de uso vital del automóvil.. 18.

(21) Con la finalidad de cumplir los objetivos de este proyecto de grado, se trabajo en la adquisición de datos de par motor y potencia generados por el MCI. Por recomendación del profesor asesor Rafael Beltrán, se decidió realizar este proyecto con una celda de carga la cual tiene la capacidad de transducir una señal de carga a una señal eléctrica que indica el valor de carga (usualmente en kilogramos). Esta celda de carga se conecta a uno de los tornillos que fijan las bridas de manera tal que con el valor medido de carga (en la celda de carga) y la distancia entre el tornillo de fijación de la brida y el eje del freno, ya podemos tener un dato de par motor (ver ilustración 10).. Ilustración 11. ESQUEMA FUNCIONAMIENTO CELDA DE CARGA. 19.

(22) 4. METODOLOGÍA 4.1. Fundición y maquinado de carcasas.. Después de realizar el análisis pertinente a los planos de fabricación, se procedió a realizar el maquinado de las carcasas (estatores) y los rotores en el laboratorio de maquinas herramientas de la Universidad de Los Andes. Las tolerancias dimensionales que se definieron de acuerdo a la capacidad del proceso de maquinado con los tornos disponibles en el laboratorio se establecieron según la norma ISO 2768-1 clase V (ISO).. Ilustración 12. FOTORENDER ESTATOR DE EXTREMO. 20.

(23) Ilustración 13. FOTOGRAFÍA REAL ESTATOR DE EXTREMO. Durante el maquinado de estas piezas, se presento una rotura en los alabes o paletas de dos de los rotores, así pues, se debieron fundir nuevamente dos rotores en base a los modelos de madera provenientes del proyecto de grado la referencia 1] (Alvarez D., 2008). Ilustración 14. FOTORENDER ESTATOR MITAD. 21.

(24) Ilustración 15. FOTOGRAFÍA REAL ESTATOR CENTRAL. En los rotores debieron hacerse agujeros pasantes con el fin de fijar estos con el eje del freno por medio de tornillos prisioneros.. Ilustración 16. FOTORENDER ROTOR (IZQUIERDA) FOTOGRAFÍA REAL ROTOR (DERECHA). 22.

(25) La validación de este diseño se realizo por medio de una simulación de elementos finitos. Los resultados de la simulación se presentan en la Ilustración 17.. Ilustración 17. SIMULACIÓN POR ELEMENTOS FINITOS PARA EL ROTOR (ALGOR®). 4.2. Maquinado y adquisición de bridas y tornillos.. Posterior al maquinado de las piezas fundidas, se realizo el maquinado y adquisición de las bridas y sus respectivos tornillos. Las bridas se fabricaron con un proveedor local según especificaciones del proyecto de grado de la referencia 1]. Para estas, se utilizo como material base, una placa de acero HR. De igual forma se adquirieron tornillos de 3/8” SAE grado 5 los cuales tienen un factor de seguridad cercano a 3 teniendo en cuenta los cálculos previos hechos en el proyecto de grado Diseño y construccion de un freno hidraulico. (Alvarez D., 2008). 23.

(26) Ilustración 18. FOTORENDER BRIDA. Ilustración 19. FOTORENDER TORNILLO FIJACIÓN BRIDA. Ilustración 20. FOTOGRAFÍA TORNILLO FIJACIÓN BRIDA. 24.

(27) 4.3. Maquinado del eje para el freno.. Para la fabricación de esta pieza, se adquirió una barra de acero AISI 4140 de 2” de diámetro. Posteriormente se mando a maquinar y a rectificar con un proveedor local. Tal como se menciono en el numeral 3.3.2, el eje debió ser rediseñado. El diseño final del eje se presenta en los planos anexos a este documento. Después de maquinado, se abrieron los agujeros roscados que sirven de alojamiento a los tornillos prisioneros que aseguran el eje a cada uno de los rotores.. Ilustración 21. FOTORENDER EJE. 4.4. Caracterización y adquisición de los sellos mecánicos y O-rings. En este punto se contó con la asesoría del técnico y experto en cauchos, Jorge Beltrán Cely (empleado de Eterna S.A). Así pues se decidió por realizar los anillos de caucho en polímero EPDM. Según Jorge Beltrán, el EPDM tiene la propiedad de realizar un hidrosello entre el anillo y el aluminio, de hecho, es el material que se utiliza en la fabricación de perfiles extruidos y coextruidos para la industria automotriz. Cabe. 25.

(28) resaltar, que este tipo de material no debe estar expuesto a líquidos diferentes al agua. No puede entrar en contacto con aceites o grasas ya que estas degradarían el empaque.. Ilustración 22. FOTORENDER O RING. Ilustración 23. FOTOGRAFÍA O RING. Los sellos mecánicos fueron adquiridos de acuerdo a la caracterización hecha en la referencia 1]. Estos fueron adquiridos con un proveedor local. Para información. 26.

(29) detallada de la caracterización de los sellos mecánicos, se recomienda ver el documento de grado de Juan Paulo Álvarez. (Alvarez D., 2008). Ilustración 24. FOTOGRAFÍA SELLO MECÁNICO. Los planos detallados de los Orings y los sellos mecánicos se encuentran en los documentos anexos.. 4.5. Caracterización y adquisición de los rodamientos del freno.. Caracterizando los rodamientos del freno, se tuvo en cuenta la posible desalineación entre los alojamientos de los estatores y el eje del freno. En este sentido se opto por adquirir rodamientos autoalineantes de rodillos a rotula. Adicionalmente se tuvo en cuenta el nivel de carga dinámica que estos debían soportar. De acuerdo al diseño hecho previamente en la referencia 1], estos rodamientos debían soportar una carga dinámica de 25.76KN. Así pues, se procedió a revisar en los catálogos del fabricante SKF obteniendo como solución el rodamiento TIMKEN 21306.. 27.

(30) Ilustración 25. FOTORENDER RODAMIENTO AUTOALINEANTE. Ilustración 26. FOTOGRAFÍA RODAMIENTO AUTOALINEANTE. 4.6. Caracterización y adquisición de los rodamientos y soportes del eje. Para la caracterización de los soportes y rodamientos para soportar el freno hidráulico sobre la bancada, se tuvieron en cuenta principalmente el costo. Así pues se opto por adquirir la unidad con rodamiento SKF SY 30 TF. Adicionalmente esta unidad con. 28.

(31) rodamiento presento la mejor relación coste/beneficio, entendiendo como beneficio los factores como velocidad límite (3600RPM), peso (1.1kg), dimensiones, entre otros.. Ilustración 27. FOTORENDER UNIDAD CON RODAMIENTO. Ilustración 28. FOTOGRAFÍA UNIDAD CON RODAMIENTO. En los documentos anexos se presentan las fichas técnicas de las piezas de los numerales 4.5 y 4.6.. 29.

(32) 4.7. Caracterización y adquisición de la celda de carga. Para caracterizar la celda de carga se tuvo en cuenta el par motor que debía ser transmitido al freno. Según estimaciones del profesor asesor Rafael Beltrán, el motor de mayor potencia que se usara en este BMCI será de equivalente al de una camioneta Ford Explorer. Este es un motor V6 de 4.0L y 156HP el cual genera un par motor máximo de 305Nm a 3000RPM. Entonces, si utilizamos un brazo de 0.38m (distancia tomada desde el eje del freno), la fuerza transmitida en el extremo de este brazo será de aproximadamente 94kg. Con este valor de varga se opto por adquirir una celda de carga tipo shear beam de 100kg. Entre las características principales de esta celda de carga se encuentra el hecho de soportar una sobrecarga de hasta 200% sin sufrir daños.. Ilustración 29. FOTOGRAFÍA CELDA DE CARGA10. 4.8. Puesta a punto del motor de combustión interna de RENAULT 9. En este punto se conto con la colaboración de los asistentes del laboratorio de ingeniería mecánica de la Universidad de Los Andes. Para dar arranque al motor se debió recargar la batería y realizar algunas conexiones eléctricas que se encontraban deterioradas. Después de dar arranque al motor, se detectaron fallas en la bomba de gasolina y el carburador las cuales no permitían un funcionamiento correcto del MCI. 10. TOMADO DEL CATALOGO DE CELDAS DE CARGA DEL FABRICANTE LEXUS ELECTRONIC SCALES (XH-AS KL Load Cell Shear Beam for low capacities). 30.

(33) Para la finalización de este proyecto ya se han adquirido estos elementos de manera tal que el motor está funcionando correctamente. El departamento de ingeniería mecánica de la Universidad de Los Andes planea comprar para el semestre 2008-2 un motor nuevo con un sistema de adquisición de datos completo. Este motor será provendrá de una de las dos ensambladoras existentes en este momento en nuestro país. General Motors Colmotores y Sofasa Renault.. Ilustración 30. FOTOGRAFÍA ESQUEMÁTICA DE UN MOTOR GM MODERNO.11. 4.9. Ensamble freno. Esta es una parte importante ya que para realizar el correcto ensamble el freno, debe tenerse en cuenta un orden en que se deben ensamblar y fijar las piezas. En los planos de fabricación se especifica este proceso. No obstante se presentan algunas fotografías que ilustran el proceso de ensamble del freno hidráulico. 11. Tomado de http://www.shaverengines.com/images/crate/BigMotor.gif el 07/Julio/2008. 31.

(34) Ilustración 31. FOTOGRAFÍA ELEMENTOS QUE CONFORMAN EL BMCI. 32.

(35) Ilustración 32. FOTOGRAFÍA MONTAJE DEL FRENO HIDRÁULICO. 4.10.. Ensamble bancada y motor.. En este proceso se retiro el motor de Renault 9 que se encontraba montado sobre una estructura antigua y en mal estado. Posteriormente se realizaron los acoples sobre los soportes de la bancada nueva para que coincidieran con los puntos de apoyo del motor. Por medio de un diferencial se realizo la maniobra de cambio del motor entre una bancada y otra. Ya en la nueva bancada se aseguro el motor a la nueva bancada por medio de tornillos y tuercas.. 33.

(36) Ilustración 33. ENSAMBLE BANCADA Y MOTOR. 4.11.. Ensamble unión universal-freno-motor.. Finalmente se ensamblaron todas las piezas por medio de la unión universal entre el freno y motor. Se realizaron las cuñas y cuñeros necesarios para acoplar de manera adecuada estos elementos.. Ilustración 34. FOTOGRAFÍA ENSAMBLE UNIÓN UNIVERSAL. 34.

(37) Ilustración 35. FOTOGRAFÍA UNIÓN UNIVERSAL-MOTOR. 35.

(38) 5. RESULTADOS 5.1. Freno hidráulico A continuación se presentan las ilustraciones fotográficas que evidencian los resultados obtenidos en este proyecto de grado. La ilustración 36 muestra una imagen renderizada del freno hidráulico. En esta imagen se pueden apreciar la mayoría de los elementos que conforman este dispositivo, incluyendo: bridas, tornillos 3/8 SAE grado 5, rodamientos autoalineantes, eje freno, y estatores.. Ilustración 36. FOTORENDER FRENO. En la ilustración 37 se muestra una fotografía real del freno hidráulico. Puede compararse visualmente con la ilustración 36 y ver las pocas diferencias que existen entre estas dos imágenes. Puede apreciarse visualmente la calidad del montaje y de las piezas adquiridas en este proyecto de grado. Para la fabricación de los tornillos de las bridas, debió comprarse varilla roscada de 3/8 SAE grado 5 a la cual posteriormente se le soldó una tuerca en un extremo para dejarla como tornillo.. 36.

(39) Ilustración 37. FOTOGRAFÍA FRENO HIDRÁULICO MONTADO EN BMCI. 5.2. Elementos de sujeción y transmisión de potencia. En los acoples de transmisión de potencia debieron hacerse algunas modificaciones finales teniendo en cuenta las dimensiones y geometría del eje del freno y el eje de salida del motor. En la ilustración 38 se muestra una fotografía que muestra en detalle la calidad del montaje. Entre el agujero del rodamiento y el eje del freno se presenta un ajuste con una holgura de máximo 0.25mm entre las dos piezas.. El montaje de las “crucetas” en la unión universal debió hacerse en un taller de mecánica automotriz para asegurar el correcto montaje y funcionamiento de este dispositivo. Algunas de las piezas para el ensamble de la ilustración 34 fueron conseguidas en el mercado local de reposición de repuestos para vehículos.. 37.

(40) Ilustración 38. FOTOGRAFÍA SOPORTES CON RODAMIENTO MONTADOS EN BMCI. 5.3. Banco de motores de combustión interna. Ilustración 39. FOTORENDER BMCI. Finalizando el capitulo 5 se muestra en la ilustración 39 una imagen renderizada de lo que se propuso como objetivo general al inicio de este proyecto de grado. En. 38.

(41) esta ilustración se pueden apreciar todos los elementos que se pretendían manufacturar y montar en el BMCI. Pueden apreciarse desde los elementos de fijación y transmisión de potencia, hasta el MCI, pasando por el freno hidráulico y la bancada, entre otros.. Ilustración 40. FOTOGRAFÍA BMCI. En la ilustración 40 e ilustración 41, se muestran en manera de fotografía, los resultados generales de este proyecto de grado. El lugar de ubicación final del BMCI será en el laboratorio de conversión de energía de la Universidad de Los Andes situado en el edificio Mario Laserna (ML). La bancada fue pintada con pintura anticorrosiva color naranja para prevenir oxidación de la estructura. Como un detalle estético, se pinto la tapa del motor del mismo color naranja de la bancada.. 39.

(42) Los soportes de la bancada debieron ubicarse en la posición en la cual coinciden con los puntos de apoyo y soporte del motor.. Ilustración 41. FOTOGRAFÍA BMCI 2. Las ruedas con recubrimiento de caucho sobre las cuales esta soportado el BMCI brindan la posibilidad de trasladar el BMCI de un sitio a otro sin la necesidad de un montacargas o de un equipo especializado de transporte de maquinaria. Adicionalmente, el recubrimiento de caucho asegura el cuidado del piso sobre el cual se va a transportar, evitando rayones o agrietamientos.. 6. ANÁLISIS DE RESULTADOS 6.1. Acabados y tolerancias dimensionales. 40.

(43) Los acabados superficiales de las piezas que fueron susceptibles de maquinado, fundición o soldadura pueden ser subjetivos dependiendo del punto de vista del observador. Las tolerancias dimensionales ya fueron definidas en el numeral 4.1 según la norma ISO 2768-1 clase V (ISO). Sin embargo el centrado de las piezas fundidas en el torno fue muy completa resultando muchas veces en variación de las cotas básicas en el momento de maquinar.. Las piezas fundidas tienen también cierta rugosidad, característica del proceso de fundición. Según opiniones de algunos estudiantes y profesores ajenos a este proyecto, el aspecto visual y de robustez que presenta este nuevo BMCI es muy bueno.. 6.2. Análisis de vibraciones De acuerdo al proyecto de grado del estudiante Juan Paulo Álvarez, la velocidad sincrónica del eje fue calculada en 3600 RPM. Se estima que los MCI con los cuales va a trabajar el BMCI tienen un rango de velocidades angulares que oscila entre 1000RPM-5000RPM. Lo anterior indica que el eje no entrara en una velocidad angular critica en la cual el nivel de vibraciones sea talque pueda entrar en resonancia y como consecuencia ocurra un accidente, a menos que se mantenga por tiempo prolongado el motor girando a velocidades angulares cercanas a los 3600RPM.. En el capítulo 8 se hacen algunas recomendaciones para la reducción de vibraciones.. 7. CONCLUSIONES •. Se cumplieron los objetivos propuestos al comienzo de este proyecto.. 41.

(44) •. Aun cuando se cumplieron los acabos superficiales y las tolerancias sobre las piezas, se dificulto el montaje del freno hidráulico. Esto porque falto poner marcos de referencia en los planos de construcción que restringieran concentricidades y paralelismos en ciertas caras de referencia de las piezas.. •. El rediseño del eje del freno permitió soportar satisfactoriamente el freno en dos puntos sobre la bancada.. •. Los tornillos de fijación de las bridas, aun cuando satisfacen una condición de diseño y seguridad, tiene un diámetro muy pequeño en comparación con el diámetro del agujero hecho en las bridas. En ese sentido, se planteara una recomendación más adelante.. •. Los sellos mecánicos tienen un ajuste de interferencia para asegurar el sello y evitar fugas de agua entre el eje y el estator en el freno hidráulico.. •. En el momento en que se monte todo el sistema de adquisición de datos, podrá hacerse el montaje de la celda de carga con su respectiva calibración.. •. La ultima y tal vez mas importante conclusión, es que el laboratorio de conversión de energía de la Universidad de Los Andes, en cooperación con el CIFI (Centro de Investigación de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Los Andes) han venido realizando una inversión significativa con el fin de hacerse a un BMCI que responda con las necesidades de los estudiantes, sobre todo en los cursos de motores de combustión interna, motores diesel y motores a gasolina. Se espera que en un futuro próximo (1 año) esté completamente montado el BMCI con sus respectivos manuales e instructivos de funcionamiento para que los futuros estudiantes de ingeniería mecánica puedan aprovechar en la práctica, esta gran herramienta.. 8. RECOMENDACIONES. 42.

(45) •. Realizar un programa de mantenimiento preventivo en todos los elementos conformados o creados en el desarrollo de este proyecto.. •. Realizar un análisis de falla no destructivo para determinar el factor de seguridad de estatores y rotores teniendo en cuenta fenómenos de propagación de grieta, tamaños máximos de porosidad permitidos, y análisis de resistencia a la fatiga.. •. Hacer y montar manguitos de fijación para reducir la holgura entre el eje del freno y los rotores.. •. Después de adquirir varios motores para ser probados en el BMCI, crear un sistema de almacenamiento optimo de tal forma que las partes no estén susceptibles a deterioro.. •. Poner frenos a las ruedas de la bancada con el fin de fijarla al piso.. •. Poner cauchos entre los soportes de la bancada y los soportes MCI para reducir vibraciones.. •. Cortar los tornillos de fijación de las bridas y dejarlos con la longitud necesaria para el correcto funcionamiento. Tal como están, un tornillo salido es un escenario potencial para un accidente.. •. En el momento de montar la celda de carga, debe también ponerse un sistema de seguridad adicional en caso tal que la celda o alguno de sus componentes fallen.. •. Es necesario poner un dispositivo de apagada de emergencia en pro de prevenir un accidente.. •. Realizar la conexión necesaria para adaptar la salida de escape de gases del motor con el sistema de extracción que tiene el laboratorio de conversión de energía.. 9. REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA. 43.

(46) 1]Alvarez D., J. P. (2008). Diseño y construccion de un freno hidraulico. Bogota: Universidad. de Los Andes. 2]Cabrera, D. (2002). Curvas de torque y potencia para caracterizar un freno hidraulico. Bogota: Universidad de Los Andes. 3]Carranza Vidal, J. (2007). Rediseño del banco de motores. Bogota: Universidad de Los Andes. 4]Chavez, J. D. (1991). Instrumentacion de un banco de pruebas para motores de combustion interna. Bogota: Universidad de Los Andes. 5]Ferguson, C. R. (2000). Internal combustion engines: applied thermosciences. 6]ISO. (s.f.). Tolerancias dimensionales para produccion de herramental. ISO 2768-1 . 7]Romero, W. (1993). Diseño y construccion de un banco de pruebas para motores de combustion interna. Bogota: Universidad de Los Andes.. 44.

(47) 10. ANEXOS Planos. 45.

(48) 1. 2. 5. 4. 3. 6 RevNo. 8. 7. Revision note. Date. Signature Checked. A. A. 76. B. 100. 177. 506,32. 100. 100. 76. ˚ 50. 76. 500. 400. 558 1000. B. 500. 76. 604,32. 704,32 2000. C. C. 2000. D. D. 1000 1000. 100. 710. E. 604,32. 504,32. 704,32. 661 38. 38. 135 X4 ˚. E. F. F. A3 ESCALA 1:17 TODAS LAS COTAS EN mm. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES BANCO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA. TOLERANCIAS DIMENSIONALES SEGUN NORMA ISO 2761-1. 1. 2. 3. MÉTODO DE PROYECCIÓN. BANCADA. 6. 7. Edition 1. 8. Sheet 1.

(49) 1. 2. 5. 4. 3. 6 RevNo. 8. 7. Revision note. Date. Signature Checked. A. A. 12,5. 16,63. 350. 4,13. 12,5. 16,63. 350. B. B A Detail A. Q350. C. C. D45ºQ18 X8. D. D Q200. E. E. ESCALA 1:4. F. F UNIVERSIDAD DE LOS ANDES BANCO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Edition BRIDA. 1. 2. 3. 6. 7. Sheet. 2. 1. 8.

(50) 1. 2. 3. 5. 4. 6 RevNo. 8. 7. Revision note. Date. Signature Checked. 270. A. A. 18. 7,59. C. 69,85. n32. 62,83. 50,8. 6,35. A. 35. 11,11. B. 49,83. 62,83. 2,02. 120,29. 42. A. B. B. 72. A. Section A-A. 86. n254 n250. 4,23. C. 4,12. 2,12. 4,13. 4,13. n270 n262,47. 2,13. C. 2,13. 4,23. 4,23. n186 n69,85 n63,5. Detail B. Detail C. Detail A. D. D n50,8. E. E 40 ˚. F. F. ESCALA 1:3. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES BANCO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Edition ESTATOR EXTREMO. 1. 2. 3. 6. 7. Sheet. 3. 1. 8.

(51) 1. 2. 3. 5. 4. 6 RevNo. 8. 7. Revision note. Date. Signature Checked. A. A 270. 270. 3,77. 69,85. 4,23. 2,02. B. 32,39. 42. 4,23. 24. 3,77. 6. A. 2. 7,59. 262,47. 211,67. A. n32. B. Section A-A. 64,22 219,67. n270 n262,47. C. C. n254 n250 n186. D. D. n69,85. E. E 40 ˚. F. F UNIVERSIDAD DE LOS ANDES BANCO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA. ESCALA 1:3. Sheet ESTATOR MITAD. 1. 2. 3. 6. 7. 4. 1. 8.

(52) 1. 2. 5. 4. 3. 6 RevNo. 8. 7. Revision note. Date. Signature Checked. A. A 250. 3,3. 6. 7,5. 9,53. 32. 13. 38. 13. 90,08. 13. A. 32. 3,05. 9,52. 50,8. B. 13. 3,05. B A. 46,08. Section A-A. 52,08. 69,85. 6 X16. 22 X1 ˚ 6. C. C. D. D. n50,8 n69,85. E. E. n162 n174 n186 n199,35 n250. F. F. ESCALA 1:3. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES BANCO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Edition ROTOR. 1. 2. 3. 6. 7. Sheet. 5. 1. 8.

(53) 1. 2. 5. 4. 3. 6 RevNo. 8. 7. Revision note. Date. Signature Checked. 824. ESCALA 1:7. A. 44. 44. n50. 200. 334. 200. n30. 45. 30. 45. 30. 50. A. n44. B. B. EJE FRENO. C. C. A. A. 9. 6. 266. n254. D n266. D. R X4 1 9. A. E. E Section A-A. ESCALA 1:5. Detail A. ORING. F. F UNIVERSIDAD DE LOS ANDES BANCO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Edition EJE FRENO Y ORING. 1. 2. 3. 6. 7. Sheet. 6. 1. 8.

(54) 1. 2. 5. 4. 3. 6 RevNo. 8. 7. Revision note. Date. Signature Checked. 6. A. A. 4 4 1 5. 1 2 5 2. B. B. 5. 2 2 2. 3. 5. 2. C. C A3 TODAS LAS COTAS EN mm TOLERANCIAS DIMENSIONALES SEGUN NORMA ISO 2761-1. D. D. E. E. Item. F. 1. Cantidad. Código de Pieza. Nombre de la Pieza. 1. 2. ESTATOR EXTREMO. 2. 6. ESTATOR. 3. 1. EJE FRENO. 4. 2. BRIDA. 5. 4. ROTOR. 6. 8. TORNILLO. 2. 3. Comentario. F. ENSAMBLE FRENO. 6. 7. Edition. 8. Sheet 7.

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