UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN
INTERNA Y TREN MOTOR PARA UN VEHÍCULO TIPO
POLARIS ARENERO.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
EDWAR ALEXANDER BAÑO CARRASCO
DIRECTOR: ING. MILTON REVELO
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2017
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1720069341
APELLIDO Y NOMBRES: BAÑO CARRASCO EDWAR ALEXANDER
DIRECCIÓN: NICOLÁS DE LA PEÑA Y ALONZO DE LA
FUENTE
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 022 641047
TELÉFONO MÓVIL: 0998459587
DATOS DE LA OBRA
TÍTULO: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL
MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA Y
TREN MOTOR PARA UN VEHÍCULO TIPO
POLARIS ARENERO
AUTOR O AUTORES: BAÑO CARRASCO EDWAR ALEXANDER
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
NOVIEMBRE 2017
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
ING. MILTON REVELO
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO TÍTULO POR EL QUE OPTA: INGENIERO AUTOMOTRIZ
RESUMEN: Mínimo 250 palabras El presente trabajo tuvo como finalidad la implementación de un motor de combustión
interna y todos los componentes del tren
motriz con el objetivo de poder utilizar el
vehículo en cualquier tipo de terreno.
El trabajo se realizó con cálculos y pruebas
las cuales ayudaron a determinar de una
mejor manera el motor y las partes
adecuadas del tren motriz. El trabajo
consiste en colocar en el chasis el motor y
todos los componentes que conforman el
tren motriz para poner en marcha y poder
utilizar el vehículo en cualquier tipo de
terreno ya sea tierra compacta o terrenos de
tercer orden. Implementando un motor
adecuado para poder movilizar el peso de la
carrocería, con una caja determinada para el
motor ya sea manual o automático
dependiendo las características del motor
verificando la ubicación adecuada del
sistema de transmisión. Se implementó el
sistema de refrigeración al igual que el
sistema de alimentación de combustible para
así poder ubicar de una manera adecuada
cada uno de los sistemas en el chasis que
permita tener un correcto funcionamiento del
vehículo. Se realizó cálculos para ver el
comportamiento del vehículo tanto en
terreno de tercer orden como en asfalto, para
determinar la potencia en distintas pruebas
sea en línea recta como en pendientes con
un ángulo de inclinación determinado, al
igual que la resistencia del aire que va a
tener el vehículo cuando esté en
funcionamiento. Se analizó los tipos de
distribución de los motores, los distintos tipos
de transmisión, las partes fundamentales del
tren motriz, el sistema de refrigeración y los
tipos, el sistema de alimentación de
combustible y el sistema de trasmisión
(diferencial). Se analizó los usos y
aplicaciones que se tienen con el vehículo
Polaris para implementar características
similares en el vehículo que se fabricó para
poder tener prestaciones idénticas y que las
personas que prueben el vehículo no tengan
gran diferencia de un Polaris original.
PALABRAS CLAVES: Motor
Tren motriz
Diferencial
Polaris
ABSTRACT: The purpose of the work was the
engine and all components of the powertrain to be able to use the vehicle on any terrain. The work was done with calculations and tests which helped determine in a better way the right engine and the right parts of the powertrain. The work involves placing the engine on the chassis and all components that make up the powertrain to start and operate the vehicle in any terrain either compact land or land of third order. Implementing a suitable motor to mobilize the weight of the coachbuilder, a certain box set for the motor either manually or automatic depending on the engine characteristics by verifying the appropriate location of the transmission system, the proper cooling system was implemented as was the fuel supply system to properly situate each of the systems that allow us to have a proper functioning of the vehicle. Calculations were made to see the behavior of the vehicle in both third-order terrain and asphalt, to determine the power in different tests either in a straight line as in slopes with a certain angle of inclination, as well as the resistance of the air that the vehicle will have while in operation. The types of distribution of the engines were analyzed as the different types of transmission, the fundamental parts of the powertrain, cooling system and types, fuel supply system and differential system. The uses and applications that a Polaris vehicle has were analyzed to implement similar characteristics in the vehicle that was manufactured to be able to have identical performances and that people who test the vehicle do not have great difference of an original Polaris.
DEDICATORIA
Este presente trabajo se la dedico a Dios quien supo guiar mi camino en el
transcurso de una nueva meta dándome fortaleza para seguir adelante y no
decaer en el intento.
A mi familia quienes por ellos soy lo que soy. Para mis padres Wilson Baño y
Nancy Carrasco quienes siempre han estado aconsejándome y apoyándome
en toda etapa de mi vida más en lo académico quienes me han ayudado con
lo necesario para culminar mis estudios. Enseñándome todo lo necesario para
ser una persona con valores, principios, carácter, perseverancia y coraje para
conseguir mis objetivos.
A mi futura esposa Andrea Juna quien me apoya incondicionalmente en todo
momento tanto moral como emocionalmente dándome ánimos día tras día
para realizar mis deberes,preocupándose de que cumpla con las obligaciones
en la universidad y en el hogar.
A mis hijas Camile y Romina Baño las cuales han sido un motor fundamental
en mi vida y pieza clave para poder cumplir todas mis metas y brindarles un
mejor futuro, compartiendo conmigo alegrías y tristezas en el transcurso de
AGRADECIMIENTO
Agradezco infinitamente.
A mis padres Wilson Baño y Nancy Carrasco, por su apoyo y paciencia durante todos estos años de estudio, a mi padre Wilson Baño quien con sus consejos y regaños me ayudo para que nunca decaiga, con su ejemplo que me enseño la responsabilidad y el trabajo duro para poder alcanzar el éxito. A mi madre Nancy Carrasco quien con su gran amor y apoyo siempre está a mi lado guiándome, desde la infancia hasta esta nueva etapa de mi vida como padre de familia. A mis hermanas Erika y Sheyla Baño quienes siempre han estado con su apoyo incondicional en cada etapa de mi vida, apoyándome en cada problema o acierto que me han presentado en el transcurso de mi vida.
A mi director y asesores por todas las enseñanzas brindadas a nivel académico durante este proceso de elaboración del proyecto.
A la Universidad Tecnológica Equinoccial que me ayudado en todo el proceso desde el principio de mi formación académica, a mis profesores y compañeros que me han ayudado en todo el transcurso de mi carrera con sus enseñanzas y consejos.
A mis hijas Camile y Romina Baño quienes son y serán el motor en mi vida para poder superarme y alcanzar nuevas metas para poder brindarles un mejor futuro, ya que con sus travesuras han llenado de alegría mi vida, enseñándome que cada día se pueden aprender cosas nuevas y que con perseverancia, esfuerzo y sacrificio todo se puede logran.
A mi futura esposa Andrea quien estos últimos años ha estado a mi lado en las buenas y en las malas apoyándome en las decisiones que he tomado para poder sacar a nuestra familia adelante y poder brindar un mejor hogar a nuestras hijas.
A mis amigos que siempre han estado en todo momento.
i
ÍNDICE DE CONTENIDO
PÁGINA
RESUMEN 1
ABSTRACT 2
1. INTRODUCCIÓN 5
2. METODOLOGÍA . 11
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 16
3.1 DIMENSIONES DEL CHASIS A UTILIZAR 19
3.2 IMPLEMENTACIÓN DEL MOTOR AL CHASIS VEHÍCULO TIPO POLARIS ARENERO 20
3.2.1 TIPO DE MOTOR Y CARACTERÍSTICAS 20
3.2.2 IMPLEMENTACIÓN DEL MOTOR AL CHASIS 20
3.2.3 IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN 22
3.2.4 IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE ADMISIÓN DE AIRE 25
3.2.5 IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE 27
3.2.6 IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE TRANSMISIÓN 29
3.2.7 SISTEMA DE TRANSMISIÓN DELANTERO (DIFERENCIAL) 30
3.2.8 COMPOSICIÓN DE LA JUNTA HOMOCINÉTICA DELANTERA 31
3.2.9 SISTEMA DE TRANSMISIÓN POSTERIOR (DIFERENCIAL) 32
3.2.10SISTEMA DE SELECCIÓN DE MARCHAS 33
3.3 PRUEBAS DE LA POTENCIA REQUERIDA DEL MOTOR 35
3.3.1 PRUEBAS PARA TIERRA COMPACTA Y COMPARACIÓN ENTRE RANGER EV POLARIS Y VEHÍCULO TIPO POLARIS ARENERO 36
3.3.1.1 Pruebas resistencia a la rodadura tierra compacta 36
3.3.1.2 Pruebas potencia tierra compacta 37
3.3.1.3 Pruebas de la resistencia al aire 37
3.3.1.4 Pruebas de la potencia del aire 39
3.3.1.5 Pruebas de la resistencia por pendiente 39
3.3.1.6 Pruebas de la resistencia a la inercia 41
3.3.1.7 Prueba de potencia mínima necesaria para moverse en tierra compacta a una velocidad de 40 km/h 42
ii
3.4 PRUEBA PARA ASFALTO Y COMPARACIÓN ENTRE RANGER EV
POLARIS Y VEHÍCULO TIPO POLARIS ARENERO 47
3.4.1 PRUEBA DE LA RESISTENCIA POR RODADURA 48
3.4.2 PRUEBA DE POTENCIA EN TIERRA ASFALTADA 48
3.4.3 PRUEBA DE LA RESISTENCIA DEL AIRE 49
3.4.4 PRUEBA DE LA POTENCIA DEL AIRE 49
3.4.5 PRUEBA DE LA RESISTENCIA POR PENDIENTE 50
3.4.6 PRUEBA DE LA RESISTENCIA A LA INERCIA 50
3.4.7 PRUEBA DE LA POTENCIA MINIMA 51
3.4.8 PRUEBA DE LA POTENCIA POR PENDIENTE CUANDO SUPERA EL 15 % A 40 KM/H EN CARRETERA ASFALTADA 51
3.4.9 PRUEBA PARA VERIFICAR EL INGRESO DE MARCHAS 56
3.4.10PRUEBA EN EL DIFERENCIAL 56
3.4.11PRUEBA DE GASES 57
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 58
4.1 CONCLUSIONES 58
4.2 RECOMENDACIONES 59
5. BIBLIOGRAFÍA 60
iii
ÍNDICE DE TABLA
PÁGINA Tabla 1. Tabla 2. Tabla 3. Tabla 4. Tabla 5. Tabla 6. Tabla 7. Tabla 8. Tabla 9. Tabla 10. Tabla 11. Tabla 12. Tabla 13. Tabla 14. Tabla 15. Tabla 16. Tabla 17. Tabla 18. Tabla 19. Tabla 20. Tabla 21. Tabla 22.
Comparación de motores para la selección adecuada
Valores de coeficiente de rodadura
Prestaciones del vehículo en recorrido fuera de carretera
Cálculo resistencia a la rodadura en tierra compacta
Cálculo de la potencia en tierra compacta constante aerodinámica
Cálculo resistencia del aire en tierra compacta Cálculo potencia del aire en tierra compacta Cálculo resistencia por pendiente en tierra compacta
Cálculo resistencia por inercia en tierra compacta Cálculo potencia mínima en tierra compacta Cálculo potencia máxima en tierra compacta Resultados en tierra compacta
Cálculo resistencia a la rodadura en asfalto Cálculo de la potencia en asfalto
Cálculo resistencia del aire en asfalto Cálculo potencia del aire en asfalto
Cálculo resistencia por pendiente en asfalto Cálculo resistencia por inercia en asfalto Cálculo potencia mínima en asfalto Cálculo potencia máxima en asfalto Resultados en asfalto
iv
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Motor Ranger EV Polaris 7
Figura 2. Relación HP vs RPM polaris Ranger 8
Figura 3. Relación Torque vs RPM Polaris Ranger 8
Figura 4. Chasis del vehículo Yamaha 19
Figura 5. Motor Yamaha 20
Figura 6. Implementación del motor al chasis 21
Figura 7. Modificaciones para colocación amortiguadores de goma
22
Figura 8. Componentes para la implementación del sistema de refrigeración
23
Figura 9. Implementación del radiador en el vehículo tipo Polaris
24
Figura 10. Dimensiones del radiador 25
Figura 11. Sistema de alimentación de aire 26
Figura 12. Partes del sistema de alimentación de combustible
28
Figura 13. Diferencial delantero y componentes 29
Figura 14. Diferencial posterior y componentes 30
Figura 15. Sistema de transmisión delantero 31
Figura 16. Junta homocinética 32
Figura 17. Sistema de transmisión posterior 33
Figura 18. Sistema de selección de marchas 34
Figura 19. Acoplamiento palanca de cambios 34
v
ÍNDICE DE ANEXO
PÁGINA ANEXO 1. Parte frontal del vehículo tipo Polaris arenero 61
ANEXO 2. Sistema de refrigeración 61
ANEXO 3. Sistema de transmisión de movimiento posterior (diferencial)
62
ANEXO 4. Sistema de inyección de combustible 62
ANEXO 5. Sistema de alimentación de aire 63
ANEXO 6. Sistema de transmisión de movimiento (diferencial delantero)
63
ANEXO 7. Motor 64
ANEXO 8. Cardan posterior 64
ANEXO 9. Tanque de combustible 65
ANEXO 10. Especificaciones motor Yamaha 66
ANEXO 11 Valores obtenidos de la prueba de gases en el vehículo tipo Polaris arenero
67
ANEXO 12. Valores de gases para vehículos de acuerdo a los años de fabricación menores de 1990 (altas
y bajas) revoluciones 67
ANEXO 13. Valores de gases para vehículos de acuerdo a los años de fabricación desde 1990 al 2000 (altas y bajas) revoluciones
67
ANEXO 14. Valores de gases para vehículos de acuerdo a los años de fabricación desde 2000 en
adelante(altas y bajas) revoluciones
67
ANEXO 15. Valores de gases para motos (bajas) revoluciones
1
RESUMEN
2 las adaptaciones, y puesto en funcionamiento el motor de combustión interna y tren motor al igual que las conexiones realizadas funcionen de una manera adecuada sin afectar al resto de sistemas del tren motor y se compró en dos tipos de terrenos para poder verificar si posee características similares al vehículo de la marca polaris.
Palabras claves
3
ABSTRACT
4
be able to verify if it owns characteristics similar to the vehicle of the brand polaris.
Keywords
5
1.
INTRODUCCIÓN
6 deben realizar al chasis para poder fijar adecuadamente y soporten las vibraciones, el motor de combustión interna debe tener características similares al motor de la marca polaris al igual que el tren motor se acople correctamente al motor y de un peso adecuado para que no afecte la funcionalidad del chasis.
Para poder realizar el diseño, implementación y montaje del motor de combustión interna y tren motor se debe conocer sobre la marca Polaris, se remonta a los co-fundadores Edgar Hetteen, su hermano más joven Allan y su amigo David Johnson. El trío trabajadora comenzó el precursor de Polaris-Hetteen de Polipasto y Derrick-en 1945 en la pequeña Roseau, Minnesota. Con la Segunda Guerra Mundial que rabia y metal escaso, su juego en la reparación de maquinaria agrícola rápidamente les valió a los clientes leales.
Pero fue sus retoques con un mejor camino para llegar a chozas de caza remotos en la nieve profunda que les valió un lugar en la historia: Los co-fundadores desarrollaron una moto de nieve a principios de 1955. Para probar los nuevos vehículos no eran sólo juguetes frívolos, Edgar y tres amigos se embarcaron en un viaje de 1.200 millas a través del desierto de Alaska para demostrar la durabilidad del vehículo. Se arrastraban 900 libras de disposiciones sobre toboganes y soportaron menos-40 grados de temperatura para completar el recorrido en 12 días.
Su determinación valió la pena. Las máquinas se hizo tan popular que Polaris comenzó a fabricar motos de nieve en exclusiva, lo que hicimos durante muchos años antes de lanzarse a las líneas de productos adicionales que aprovecharse nuestras fortalezas en el desarrollo de productos, sistema de propulsión, fabricación, distribución y comercialización.
Dado que la adición de vehículos todo terreno (ATVs) en 1984, hemos crecido para convertirse en un líder mundial Powersports, proporcionando algunas de las marcas más vendidas de la industria, incluyendo RANGER ® vehículos utilitarios , RZR ®recreativa de lado a lado , victoria Motocicletas ® , Indian Motorcycle ® y GEM ®vehículos eléctricos . Más recientemente hemos ampliado nuestra oferta para incluir los vehículos comerciales , vehículos militares y el revolucionario tirachinas ® 3 ruedas moto-roadster. (polaris, 2016)
Polaris pose distintos tipos de vehículos Off-Road como son: el RZR, GENERAL, RANGER, SPORTSMAN, ACE, cada uno con distintas características y para distintos usos como es el caso de:
POLARIS RZR tiene un motor ProStar fabricados con fines específicos, ajustados y diseñados especialmente para su vehículo y su aplicación. Al aprovechar la tecnología de punta de la industria automovilística, teniendo cilindradas desde 570, 900 y 1000 cc3. (polaris, 2016)
7 la eficiencia de uno solo, como se puede observar en la figura 1. (polaris, 2016)
Los motores de 900 cc tienen una potente estructura de cilindro doble de 875 cc con DOHC, 4 válvulas por cilindro, cárter húmero y diseño liviano pensado específicamente para el uso en RZR, optimizado para funcionar en sistemas de escape y admisión, y está específicamente ajustado para ofrecer la máxima potencia sin comprometer la maniobrabilidad para lograr un desempeño en pistas difíciles de RZR. (polaris, 2016)
Los motores de 1000cc tienen una potente estructura de cilindro doble de 999 cc con DOHC, 4 válvulas por cilindro, cárter húmero y diseño liviano con cuerpos de acelerador doble, optimizado y diseñado específicamente para el RZR XP1000 y el máximo desempeño, el motor está diseñado específicamente para funcionar con el gran sistema de entrada y escape de los vehículos para ofrecer lo máximo en torsión y desempeño en todo momento. (polaris, 2016)
Figura 1. Motor Ranger EV Polaris (polaris, 2016)
El motor RANGER XP 900 ProStar® está construido, afinado y diseñado junto con el vehículo - lo que resulta en un equilibrio óptimo de potencia fluida y fiable. El motor XP 900 ProStar® fue desarrollado con la última combinación de alta densidad de potencia, excelente eficiencia de combustible y fácil mantenimiento, Potente estructura de cilindro doble de 875 cc con DOHC, 4 válvulas por cilindro, cárter húmero y diseño liviano.
8
Figura 2. Relación HP vs RPM Polaris Ranger (polaris, 2016)
Este motor de 999cc orientado al todo terreno ofrece un torque máximo a través del rango de rpm de - 65 libras pie para remolcar, jalar y contar con el poder suficiente para cualquier trabajo, como se observa en la figura 3.
Figura 3. Relación TORQUE vs RPM Polaris Ranger (polaris, 2016)
Los vehículos polaris se clasifican de acuerdo al tamaño (ancho del vehículo) y los caballos de potencia que generan, teniendo diferencia de acuerdo al largo (273, 269.2, 350.8, 302.2) cm, ancho (127, 139.7, 152.4, 162.56) cm, altura (175.2, 179.1, 182.1, 187.3) cm correspondientemente, la clasificación de acuerdo a los caballos de fuerza que generen entre ellos están desde: (32, 44, 45, 68, 75, 80, 100, 110,168) hp.
Los vehículos todo terreno son diseñados para ser utilizados en cualquier tipo de terreno (tierra, lodo, piedras o mixtos), los cuales fueron creados por necesidad en la antigüedad para movilizarse por lugares extremos utilizados principalmente por la milicia luego fueron adaptados para uso civil, se caracterizan por tener tracción a las 4 ruedas lo cual ayuda a superar obstáculos complicados, estos todo terreno se caracterizan por tener chasis reforzados los cuales ayudan a resistir los esfuerzos que genera el motor y evita los golpes que se pudieran ocasionar por el terreno irregular.
9 detenerse, por ese motivo es fundamental que el diferencial tenga bloqueo independiente, otros vehículos todo terreno poseen cajas reductoras con engranes especiales los cuales ayudan a generar mayor fuerza en el motor, poseen generalmente los vehículos de baja y media potencia.
Los vehículos todo terreno que hoy conocemos tuvo sus comienzos muy humildes en las regiones agrícolas montañosas de Japón. Las carreteras de montaña se ponían de barro y se hacían muy cuesta arriba para los agricultores a la hora de viajar durante el deshielo de primavera y era casi imposible conducir con vehículos convencionales. Los japoneses, tienen una cultura que les “obliga” a estar siempre mejorando Historia del todo terreno, realizando pruebas para modificar hasta conseguir lo que desean en un alto grado de perfección. (J.Poolos, 2008)
El tren motor es una de las partes más importantes del vehículo puesto que es el encargado de transformar la energía del combustible en movimiento hacia los neumáticos para poder ser puesto en movimiento, la transmisión es la encargada de realizar los cambios de marchas por medio de un sinnúmero de engranes, existiendo distintos tipos de transmisión en este caso se utilizara una caja automática, la cual posee cuatro disposiciones en la palanca de cambios que son: neutral, high, low y retro, las partes principales del tren motor son: embrague, el cual es el encargado de conectar y desconectar el giro del motor de la caja de cambios mediante se requiera para realizar el cambio de marcha, la caja de cambios la cual permite seleccionar la posición adecuada para poder mover el vehículo ya sea hacia delante o hacia tras, el cardan es el encargado de transmitir el movimiento de la caja de velocidades hacia el diferencial, el diferencial es el encargado de dividir de manera igual el par generado por el motor para trasmitir a las ruedas motrices las cuales permiten el giro a velocidades distintas dependiendo cual sea la necesidad y por ultimo las puntas de ejes los cuales transmiten el movimiento del diferencial hacia las ruedas. (Lluberas, 2010)
El sistema de embrague para los vehículos tipo polaris están compuestos de tres principales conjuntos como son: El embrague motriz, el embrague conducido, y la correa motriz.
10 Los componentes internos del embrague motriz y el embrague conducido controlan el engrane del embrague (para el movimiento inicial del vehículo), embrague en cambio ascendente y cambio descendente. Durante el desarrollo de un ATV, el sistema PVT se adapta primero a la curva de potencia del motor; luego a la media de las condiciones de conducción y al uso del diseño del vehículo.
El embrague motriz detecta principalmente el RPM del motor. Los dos componentes más importantes que controlan su función del cambio de marchas son las pesas del variador y el muelle helicoidal.
Cuando el RPM del motor aumenta, se crea una fuerza centrífuga que provoca que los pesos del variador empujen contra los rodillos en la polea movible, que se mantiene abierta mediante la precarga del muelle helicoidal. Cuando esta fuerza llega a ser mayor que la fuerza de precarga en el muelle, la polea exterior se mueve hacia adentro y entra en contacto con la correa motriz. La fuerza atrapará a la correa entre las poleas que están girando y causan que la correa motriz gire. (VirtualAtv, 2005)
11
2. METODOLOGÍA
Para la realización del proyecto se procede a obtener el chasis él tiene las siguientes dimensiones: una longitud total de 2885 (mm) y un ancho de 1385 (mm), construido de aleación de acero y tubos de distintos diámetros los cuales soportan el peso de los elementos y el chasis, a partir del cual se procede a tomar mediciones y se analiza la ubicación de cada uno de los componentes del tren motriz para poder colocar los mismos en el chasis e identificar las modificaciones que se debe realizar a la estructura para sujetar cada una de las partes.
Se procede a clasificar los tipos de motores aptos que pueden ser utilizados para la implementación de acuerdo a una tabla comparativa relacionando la potencia, cilindrada para comparar con el motor polaris original.
Se calcula la potencia del motor seleccionado para implementar y se compara con el motor original de polaris utilizando la siguiente ecuación de potencia.
P =(rpm∗T)
5,252 [1]
Dónde:
P: Potencia
Rpm: Revoluciones por minuto
T: Tiempo
5,252: Valor de radianes por segundo
Se calcula la cilindrada unitaria del motor para comparar con el motor Polaris original.
𝑉𝑢 = 𝜋 ∗𝐷2
4 ∗ 𝐶 [2]
Dónde:
Vu: Cilindrada unitaria D2: Diámetro del cilindro C: Carrera
Se calcula la cilindrada total del motor para comparar con el motor Polaris original.
𝑉𝑢 = 𝜋 ∗𝐷2
4 ∗ 𝐶 ∗ 𝑁 [3]
Dónde:
Vu: Cilindrada unitaria D2: Diámetro del cilindro C: Carrera
N: Número de cilindros
12 x = P
P.a. [4]
Dónde:
X: Distribución del peso P: Peso del motor P.a: Puntos de apoyo
Para verificar la capacidad de líquido refrigerante que posee el radiador se utiliza la siguiente ecuación.
V = A ∗ B ∗ C [5]
Dónde:
V: Volumen del radiador A: Largo del radiador B: Alto del radiador C: Ancho del radiador
Para poder identificar la cantidad de aire que ingresa al motor se utiliza la siguiente ecuación.
Q = V ∗ S [6]
Dónde:
Q: Caudal de aire
V: Velocidad del aire (30 m/s) S: Sección de área transversal
Acompañada de la ecuación para determinar la sección de la cañería que ingresa al motor.
S =π∗D2
4 [7]
Dónde:
S: Sección de área transversal D: Diámetro de la tubería
Para identificar el peso del motor se utiliza la ecuación para calcular la masa del depósito.
M = d ∗ V [8]
Dónde:
M: Masa del deposito
13 Una vez determinada la masa del motor se utiliza la siguiente fórmula para calcular el peso que soportara el chasis en el espacio ubicara el deposito.
Pe = g ∗ M [9]
Dónde:
Pe: Peso del deposito g: Gravedad (9.8m/s2) M: Masa del deposito
Para cálculos comparando un vehículo de la marca polaris y un prototipo tipo polaris en tierra compacto o asfalto se utilizan las siguientes ecuaciones: para calcular la resistencia de la rodadura.
Rr = f ∗ p [10]
Dónde:
Rr: Resistencia por rodadura (kg)
f: Coeficiente de resistencia por rodadura (kg/t) p: peso del vehículo (kg)
Para el cálculo de la potencia a la resistencia se utiliza la siguiente ecuación.
Wr = Rr∗V
75∗3.6 [11]
Dónde:
Wr: Potencia por rodadura (Hp) Rr: Resistencia por rodadura (kg) V: Velocidad del vehículo (km/h)
En el cálculo de la resistencia del aire se necesita la siguiente ecuación.
Ra = K ∗ S ∗ V2 [12]
Dónde:
Ra: Resistencia al aire S: Superficie maestra
K: Coeficiente aerodinamico V: Velocidad del Vehículo
Teniendo en cuenta un coeficiente arerodinamico expresado en la siguiente ecuación
K = γ C
2g [13]
Dónde:
K: Coeficiente aerodinamico
14
g: Gravedad
Y se tiene una superficie maestra con la siguiente ecuación
S = 0.8 ∗ a ∗ h(m2) [14] Dónde:
0.8: coeficiente de afectación a: Ancho del vehículo h: Alto del vehículo
Para el cálculo de la potencia del aire se necesita la siguiente ecuación:
Wa = Ra∗V
75∗3.6 [15]
Dónde:
Wa: Potencia del aire (Hp) Ra: Resistencia al aire V: Velocidad del vehículo
3.6: Factor de conversión de la velocidad 75: Factor de conversión de potencia
Para el cálculo de la resistencia por pendiente se necesita la siguiente ecuación.
Rp = P ∗ Tg(α) [16]
Dónde:
Rp: Resistencia por pendiente (kg) P: Peso del vehículo
α: Ángulo entre la pendiente y plano horizontal
Para el cálculo de la resistencia a la inercia se necesita la siguiente ecuación.
Rj=100*P*j [17]
Dónde:
Rj: Resistencia a la inercia(ton) 100: Constante de la fórmula P: Peso del vehículo
j: Aceleración del vehículo que adquiere (m/s2)
Para el cálculo de la aceleracion del vehículo se necesita la sigueinte ecuacion.
j=(V2−V1)
15 Dónde:
j: Aceleración del vehículo que adquiere V2: Velocidad inicial (50 km/h) (13.88 m/s) V1: Velocidad final (70 km/h) (19.44 m/s) t: Tiempo invertido para pasar de V1 a V2
Para el cálculo de la potencia minima se necesita la siguiente ecuación.
Wm = (Rr+ Ra) ∗ V [19]
Dónde:
Wm: Potencia mínima (Hp)
Rr: Resistencia por rodadura (kg) Ra: Resistencia al aire (kg)
V: Velocidad del vehículo
Para el cálculo de la potencia por pendiente se necesita la siguiente ecuación.
Wp =(Rr+Rp)∗V
3.6 [20]
Dónde:
Wp: Potencia por pendiente
Rr: Resistencia por rodadura (kg) Ra: Resistencia al aire (kg)
V: Velocidad del vehículo
Para cálcular la potencia maxima se utiliza la ecuación.
Wmax = Wa + Wp [21]
Dónde:
Wmax: Potencia máxima Wa: Potencia del aire
Wp: Potencia por pendiente
Con los cálculos realizados se previene las deformaciones, fisuras o cortes que puede tener el chasis por los componentes del tren motor que se implementaran
Los equipos y herramientas utilizados para poder realizar el siguiente trabajo son:
Equipo de protección personal (gafas, guantes, overol, botas de seguridad, mandil de cuero, casco para soldar, etc.)
Suelda MIG/MAG
16
Taladro
Combo
Flexómetro
Martillo
Juego de llaves mixtas
Juego de copas ratchet de ½
Electrodos
Cepillo de alambre
17
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El vehículo tipo Polaris arenero es un proyecto el cual tiene como finalidad diseñar e implementar el motor y tren motor en el chasis par luego realizar pruebas que permita verificar el funcionamiento del motor y sus componentes para utilizar este vehículo en terrenos de tercer orden y que cumpla con las características similares que posee un vehículo Polaris original, ya que el prototipo construido cumple con las características físicas y similares al mismo.
Para la poder determinar el motor adecuado para la implementación se realizó una selección entre distintos motores tomando como idóneo el motor Yamaha de 600cc, el cual se va a colocar en el chasis y se comparó con el motor del Polaris. Para lo cual se observa en la figura 1 los tipos de motores que se verificaron para poder seleccionar el mejor que no tenga gran diferencia al motor Polaris teniendo en cuenta características similares tanto en la cilindrada y la potencia que genera.
Tabla 1. Comparación de motor para la selección e implementación
Motor Especificación Cilindrada Potencia
Tipo sistema de refrigeración
Yamaha XJ6
4 cilindros en
línea 4
tiempos, DOCH
600,0 cc 60.5 Hp Por aire
Honda CBR 600
4 cilindros el línea de 4 tiempos,
DOCH
599,0 cc
49.8 Hp Por liquido
Ranger Ev Polaris
2 cilindro de 4
tiempos 700 cc 73.5 hp Por liquido Yamaha
Rhino
4 válvulas de 4 tiempos
686 cc 65.5 Hp Por líquido y ventilador
Obteniendo las comparaciones se toma en consideración para la implementación el motor Yamaha rhino, por poseer una cilindrada superior al resto lo cual aunque posee una pequeña diferencia con el motor que se procederá a realizar comparaciones y cálculos para identificar el porcentaje de diferencia que existe entre los dos motores.
18 Teniendo como datos del motor Yamaha con valores de torque de 37 a 5500 revoluciones por minuto, mientras que el motor polaris posee un torque de 45 a 6500 revoluciones por minuto
𝑃 =(𝑟𝑝𝑚 ∗ 𝑇) 5,252
Para motor Yamaha
𝑃 =5500 ∗ 37
5,252 = 38,74 𝐻𝑃
Para motor Polaris
𝑃 =6500 ∗ 40
5,252 = 49,50 𝐻𝑃
Teniendo como resultado una diferencia de 21,73% entre el motor Yamaha y el motor Polaris como conclusión se obtiene que el motor determinado para poder implementar al prototipo es el más idóneo y obtener resultados casi similares al vehículo con el cual se realiza la comparación del cual se colocara el resto de componentes que conforman el tren motor
Para calcular la cilindrada unitaria del motor se utiliza la ecuación 2 mencionada con anterioridad en la página 11.
𝑉𝑢 = 𝜋 ∗𝐷
2
4 ∗ 𝐶
Para motor Yamaha
𝑉𝑢 = 𝜋 ∗102
2
4 ∗ 84 = 686𝑐𝑐
Para motor Polaris
𝑉𝑢 = 𝜋 ∗103
2
4 ∗ 85 = 699.9 𝑐𝑐
Para calcular la cilindrada total del motor se utiliza la ecuación 3 mencionada con anterioridad en la página 11.
𝑉𝑢 = 𝜋 ∗
𝐷2
19 Para motor Yamaha
𝑉𝑢 = 𝜋 ∗102
2
4 ∗ 84 ∗ 2 𝑉𝑢 = 1372𝑐𝑐
Para motor Polaris
𝑉𝑢 = 𝜋 ∗103
2
4 ∗ 85 ∗ 2 𝑉𝑢 = 1399.8 𝑐𝑐
3.1 DIMENSIONES DEL CHASIS A UTILIZAR
Para la implementación del motor y todos los componentes del tren motriz se tomó en cuenta las dimensiones del chasis en el cual se implementará, el mismo que posee las siguientes dimensiones:
Longitud total de 2885 (mm) Ancho de 1385 (mm)
Como se observar en la figura 4, donde se puede ir distribuyendo de manera organizada todos los componentes que conforman el tren motriz y sus accesorios los cuales se detallará a continuación. Es necesario que el chasis este en perfectas condiciones para poder centrar todo lo que se implementará y pueda ser modificado para colocar los nuevos componentes y pueda resistir nuevas perforaciones cortes y soldaduras.
Figura 4. Chasis de vehículo Yamaha (atv, 2000)
20
3.2 IMPLEMENTACIÓN DEL MOTOR AL CHASIS VEHÍCULO
TIPO POLARIS ARENERO
Para la implementación del motor al chasis y poder tener las características de un vehículo polaris arenero es necesario realizar una clasificación y estudio de los componentes idóneos para colocar en el chasis.
3.2.1 TIPO DE MOTOR Y CARACTERÍSTICAS
El motor que se usó en el proyecto después de una selección entre otros motores es de la Yamaha que tiene las siguientes características: un motor de 686.00 (cc3), con un diámetro del cilindro de 102.0 (mm), carrera del cilindro de 84 (mm), relación de compresión de 9.2:1, par motormáximo de 50.0 (Nm), con un sistema de encendido tipo TCI (Unidad de control de encendido transistorizado) y arranque eléctrico el cual se observa en la figura 5.
Figura 5. Motor Yamaha 700 cc (atv, 2000)
3.2.2 IMPLEMENTACIÓN DEL MOTOR AL CHASIS
21 1.- Motor Yamaha Rhino 700
2.- Chasis.
Para colocarlo se tuvo que realizar modificaciones con respecto a las bases que sujetan el motor. Se colocó 4 bases de combinación de metal y caucho las cuales sujetan y absorben las vibraciones generadas por el motor, dos se colocaron en la parte delantera del motor y dos en la parte posterior, para evitar que el motor este en contacto con el chasis se tuvo que variar la altura de los bujes de goma y realizando perforaciones para poder anclar los bujes de goma de esta manera queda firme el motor y se comparte el peso neto del motor en los 4 puntos de apoyo, en la figura 7 se identifica la ubicación determinada para la colocación del motor.
1.- Cauchos de goma delanteros y posteriores 2.- Amortiguador de goma posterior
3.- Amortiguador de goma delantero 4.- Motor).
Figura 6. Implementación del motor al chasis (Yamaha, Manual de reparacion yamaha rhino 700, 2008)
Para la implementación del motor se debe tomar en cuenta el peso del motor y analizar la resistencia del material que no sufra deformaciones al momento de colocar el motor para lo cual se utiliza la siguiente ecuación 4 antes mencionada en la página 12.
22 El peso del motor se divide para los 4 puntos de apoyo del chasis para
obtener
𝑥 = 𝑃
𝑃.𝑎.
𝑥 =165
4 = 41.25𝑘𝑔
Con este resultado se conoce que el peso del motor se distribuye en 4 putos de sujeción por lo que cada punto de apoyo va a soportar un peso de 41.25 kg lo que permite que el chasis no sufra ningún tipo de deformación, colocando una protección inferior de espesor 5 mm con perforaciones cada 3 mm para protección del motor y evitar la concentración del calor. Cada amortiguador de goma está sujeto por medio de pernos que deben tener un torque máximo de 42 Nm, los cuales sirven para la fijación de los amortiguadores de motor al chasis, que tengan la firmeza adecuada y absorban las vibraciones, para poder funcionar correctamente.
Figura 7. Modificación para colocación de amortiguadores de goma del motor (Yamaha, Manual de reparacion yamaha rhino 700, 2008)
3.2.3 IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
Para la implementación se necesitan los siguientes componentes del sistema:
Radiador
23
Tanque del reservorio
Cañería de ingreso al radiador
Cañería de salida del radiador
Para identificar correctamente cada una de las partes se puede observar en la figura 8, donde se encuentran los componentes básicos que son necesarios para la implementación del sistema.
1.- Radiador
2.-Cañería que conecta al reservorio 3.- Tanque del reservorio
4.- Cañería de ingreso al radiador 5.-Cañería de salida del radiador
Se debe tener en cuenta que cada una de las partes es indispensable para el correcto funcionamiento.
En la implementación fue necesaria la modificación de las bases que sostendrán al radiador, por lo que se necesitó soldar soportes los cuales anclan de una manera adecuada y permite que no tenga un excesivo movimiento.
24 En la figura 9, se puede observar la disposición del sistema de refrigeración y todos los componentes que se usan para la conexión desde la parte delantera del vehículo hasta la parte central en la cual se encuentra el motor como:
1.- Radiador
2.- Abrazaderas para fijación del radiador 3.- Ventilador
4.- Reservorio del líquido refrigerante 5.- cañerías de conexión
.
Figura 9. Implementación radiador vehículo tipo Polaris Arenero (Yamaha, Manual de reparacion yamaha rhino 700, 2008)
Para la fijación del radiador son necesarios realizar las perforaciones en los travesaños delanteros tanto en el superior como en el inferior para poder fijar correctamente el radiador este consta con 4 orificio para la sujeción y se coloca con cuatro pernos y tuercas de 17 mm estos deben tener un torque de 55 Nm, los cuales mantienen el radiador firmen en el vehículo al igual que el ventilador que se encuentra en la parte posterior del radiador. Este tiene las siguientes dimensiones:
Largo (A) 431.8 (mm)
Altura (B) de 260.35 (mm)
Espesor (C) de 31.75 mmm
25 que se puede observar en la figura 10 de mejor manera las dimensiones especificadas del radiador tanto:
A.- Largo del radiador B.- Ancho del radiador
Figura 10. Dimensiones del radiado (Yamaha, Manual de reparacion yamaha rhino 700, 2008)
Para el cálculo del volumen del radiador se utiliza la siguiente ecuación 5 mencionada antes en la página 12
𝑉 = 𝐴 ∗ 𝐵 ∗ 𝐶
𝑉 = 43,18 ∗ 26,035 ∗ 3,175
𝑉 = 3569.30𝑐𝑚3
Se puede determinar que el volumen de refrigerante que contiene el radiador es de 3569.30cm3 lo cual es el volumen necesario para poder enfriar el motor y evitar que se recaliente el motor
3.2.4 IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE ADMISIÓN DE AIRE
26 determinar los lugares adecuados para que cada uno de ellos cumpla con una función específica. El ducto o entrada de aire se coloca en la parte delantera tras la mascarilla del guardachoque, se lo ubico en esta posición para que pueda absorber mayor cantidad de aire frio, para lo cual la base igual se lo coloca en la parte delantera donde se encuentra el filtro de aire para que pueda atrapar todas las impurezas y permita el paso del aire libre de impurezas. A partir de esto se procede a ubicar correctamente las cañerías para que puedan acoplarse al chasis y sin que impidan el funcionamiento de otras partes del vehículo hasta que pueda llegar a la conexión al motor, lo cual se puede observar de mejor manera en la figura 11 en la que se encuentra detallada las ubicaciones pertinentes de las cañerías de aire, así como el resto de accesorios como:
1.- Ducto de entrada de aire 2.- Carcasa para el filtro de aire 3.- Sensor de temperatura del aire 4.- Abrazaderas
5.- Cañerías de conexión
6.- Sistema selectora de marchas 7.- Freno de mano
Figura 11. Sistema de alimentación de aire (Yamaha, Manual de reparacion yamaha rhino 700, 2008)
Cálculo del caudal de aire que ingresa al motor para ello se utiliza las siguientes ecuaciones 6 y 7 que se describen anterior mente en la página 11.
𝑄 = 𝑉 ∗ 𝑆
𝑆 = 𝜋 ∗ 𝐷
2
27 𝑆 =𝜋 ∗ (0.06)
2
4 𝑆 = 2.82 ∗ 10−3
𝑄 = 30 𝑚 𝑠⁄ ∗ 2.82 ∗ 10−3(𝑚2)
𝑄 = 0.084𝑚 𝑠
3
Con la el resultado obtenido se puede determinar la cantidad de aire que ingresa al motor con una velocidad constante de 30 m/s lo cual nos ayuda a la mescla estequiométrica del aire con el combustible.
3.2.5 IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE
El sistema de alimentación de combustible en el vehículo utiliza gasolina súper de 98 octanos, lo que ayuda a que el motor pueda tener buenas prestaciones y aprovechar tanto la velocidad y la potencia que brindan, para ello es muy importante e indispensable en el vehículo. Para poder implementar en el chasis se tuvo que colocar cada una de las partes que lo conforman como son: tanque de combustible, cañerías de combustible, filtro de combustible, bomba de combustible y tapa de combustible, como se puede observar en la figura 12 que consta con los siguientes componentes:
1.- Base pare el tanque de combustible 2.- Depósito de combustible
3.- Bomba de combustible
4.- sistema de medición de combustible 5.- Abrazaderas de sujeción del depósito 6.- Tapa de depósito
7.- Cañerías de conexión
28
Figura 12. Partes del sistema de alimentación de combustible (Yamaha, Manual de reparacion yamaha rhino 700, 2008)
El tanque de combustible tiene una capacidad de 7.9 litros, para poder calcular el peso del tanque y comprobar si el chasis soporta ese peso se utiliza las siguientes ecuaciones 8 y 9 que se mencionan con anterioridad en la página 12y 13.
𝑀 = 𝑑 ∗ 𝑉
𝑀 = 700𝑘𝑔⁄𝑚3∗ 0.007 𝑚3
𝑀 = 4.9 𝐾𝑔
𝑃𝑒 = 𝑔 ∗ 𝑀
𝑃𝑒 = 9.8 𝑚 𝑠⁄ 2∗ 4.9 𝐾𝑔
𝑃𝑒 = 48.02 𝑁
29
3.2.6 IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE TRANSMISIÓN
El sistema de transmisión de movimiento cuenta con dos diferenciales ya que el vehículo posee un sistema 4x4, es decir, tracción a las cuatro ruedas. En las figuras 13 se puede identificar componentes de diferencial delantero (Vista frontal sistema de transmisión que está conformado por:
1.- Guarda polvos de puntas de eje 2.- Rotulas de mesa inferior
3.- Rotulas de mesa superior 4.- Diferencial
Mientras que la figura 14 se puede observar la disposición del diferencial para la parte posterior del vehículo que tiene los siguientes componentes Vista posterior:
1.- Puntas de eje posteriores 2.- diferencial posterior
Para poder acoplar correctamente en el chasis se tuvo que modificar e implementar en los travesaños bases y soportes para que esté firmemente ubicado el diferencial y sus componentes hacia las ruedas, de igual manera para que pueda recibir el movimiento generado por el motor por medio del cardan al motor y así facilitar el movimiento, tanto a las ruedas delanteras como posteriores, dependiendo el mando que se accione o dependiendo la necesidad del conductor y el tipo de terreno que en el que se va a ocupar el vehículo.
30
Figura 14. Diferencial posterior y componentes (Yamaha, Manual de reparacion yamaha rhino 700, 2008)
El diferencial tanto delantero como posteriores se realizó perforaciones en los travesaños estas perforaciones no afectan en ningún aspecto al desempeño del chasis estas perforaciones se las realizó para poder anclar las carcasas y no permitir que tenga movimiento al momento de recibir el movimiento del motor.
3.2.7 SISTEMA DE TRANSMISIÓN DELANTERO (DIFERENCIAL)
Para poder adaptar en el chasis el diferencial delantero se tuvo que realizar unas bases para que puedan sujetar el sistema, para lo cual se debe tomar en cuenta la distancia que tiene entre el motor y el diferencial delantero, ya que se conecta directamente con el cardan y es el que da la distancia para poder colocarlo. Para ello es necesario tener todos los accesorios que permiten transmitir el movimiento desde el motor y terminar en las ruedas, como son: junta homocinética, acople de engranajes del motor al diferencial, sistema diferencial y eje de accionamiento (cardan). Estas partes son importantes y fundamentales para que el motor pueda transmitir el movimiento como se observa en la figura 15, donde están detalladas las partes y la ubicación adecuada para poder montar el diferencial:
1.- Junta homocinética
2.- Acoplador del diferencial al motor 3.- Caja de engranajes
31 5.- Guardapolvo
6.- Eje de acoplamiento (cardan).
Figura 15. Sistema de transmisión delantero (Yamaha, Manual de reparacion yamaha rhino 700, 2008)
3.2.8 COMPOSICIÓN DE LA JUNTA HOMOCINÉTICA DELANTERA
La junta homocinética ayuda a transmitir el movimiento desde el diferencial hacia las ruedas ya que están sometidas al movimiento excesivo generado por los amortiguadores, esta es articulado por lo que transmite el movimiento sin perder tracción en las ruedas. En la figura 13 se puede observar el despiece completo de la junta homocinética con sus partes:
1.- Junta desmontable doble 2.- Rodamiento de bolas 3.- guardapolvos
4.- eje de articulación 5.- conjunto descentrado
32
Figura 16. Junta homocinética (Yamaha, Manual de reparacion yamaha rhino 700, 2008)
3.2.9 SISTEMA DE TRANSMISIÓN POSTERIOR (DIFERENCIAL)
En la parte posterior se colocó un diferencial similar al delantero con los mismos componentes para poder transmitir el movimiento del motor hacia las ruedas posteriores con funcionamiento independiente del delantero, según la necesidad del conductor o el terreno que va a ser puesto en marcha. En la figura 17 se observa la disposición del diferencial y las partes que conforman el mismo:
1.- Eje de acoplamiento (cardan) 2.- Base para el diferencial
3.- Diferencial posterior 4.- Eje de accionamiento 5.- Dámper
6.- Guardapolvo
7.- Engranaje de acoplamiento
33
Figura 17. Sistema de transmisión posterior (Yamaha, Manual de reparacion yamaha rhino 700, 2008)
3.2.10 SISTEMA DE SELECCIÓN DE MARCHAS
Este vehículo tipo Polaris arenero consta con una caja de cambios automática por lo que en la palanca consta con las siguientes posiciones marchas fuertes, marchas lentas neutras y retro como se observa en la figura 18 la disposición de cada marcha:
1.-Neutro 2.-High 3. Low- 4. Retro-
5.-varilla selectora de cambio
Para ello se tuvo que modificar la estructura del chasis para poder acoplar la palanca de cambios colocando las bases donde poder sujetar correctamente la palanca y pueda realizar el cambio de marcha de una manera adecuada y óptima para poner en marcha el vehículo como se observa en la figura 19:
1.- Palanca de cambios
34
Figura 18. Sistema de selección de marchas (Yamaha, Manual de reparacion yamaha rhino 700, 2008)
Figura 19. Acoplamiento palanca de cambios al chasis (Yamaha, Manual de reparacion yamaha rhino 700, 2008)
Para el acoplamiento de la palanca de cambios tuvo que adecuar dos soportes laterales al contorno de donde va a estar ubicado la palanca de cambio anclo con 6 pernos los cuales aseguran de manera permanente a la palanca permitiendo ser utilizada en cualquier momento, se tiene en cuenta que la modificación que se realizó al chasis no afecta en ninguna forma al funcionamiento del mismo.
35
3.3 PRUEBAS DE LA POTENCIA REQUERIDA DEL MOTOR
Para el cálculo de la potencia requerida del motor se tomará en consideración la potencia mínima para desplazar el vehículo en diferentes tipos de calzada, observados en la Tabla 2, que tiene las siguientes variables:
Valores para el coeficiente de rodadura
Tipo de suelo
Teniendo en cuenta que el valor (f), no es constante ni independiente de la velocidad, pues influye esta, la temperatura, el estado del suelo, tipo de neumático, radio del mismo y presión de inflado, de esta manera en forma empírica se puede obtener el coeficiente de rodadura (f), en la tabla 3 se puede determinar los valores para las prestaciones del vehículo en su recorrido normal fuera de carretera.
Tabla 2. Valores de coeficiente de rodadura
Tipo de suelo Coeficiente de rodadura (Kg/t) (f)
Asfalto 12-17
Hormigón 15
Adoquinado 55
Tierra compacta 50
Tierra suelta 100
Fuente: (Cascajosa, 2006)
Tabla 3. Prestaciones del vehículo en su recorrido normal fuera de carretera
Tipo de terreno Velocidad
Tierra compacta 40 Km/h.
En asfalto 40 Km/h.
Pendiente máxima superable a 40 km/h en terreno compacto y asfaltado
Pendiente superable de 15 % o a un ángulo de inclinación de 8.53°
36
3.3.1 PRUEBAS PARA TIERRA COMPACTA Y COMPARACIÓN ENTRE RANGER EV POLARIS Y VEHÍCULO TIPO POLARIS ARENERO
Para poder realizar distintos cálculos comparativos, verificar e identificar la diferencias que existen entre cada motor se procede a realizar las siguientes ecuaciones que se describen y realizan a continuación dependiendo el tipo de terreno, inclinación del terreno teniendo en cuenta las resistencias que impiden el movimiento del vehículo, entre otros para el vehículo Ranger EV Polaris y el vehículo tipo polaris arenero.
3.3.1.1 Pruebas resistencia a la rodadura tierra compacta
Los neumáticos al girar sobre el suelo producen un efecto conocido como fricción, el cual produce una resistencia al rodamiento. Esta fuerza depende específicamente del peso total del vehículo y de la presión de inflado de los neumáticos, así como de su coeficiente de deformación.
Por esto la mayoría de los usuarios han aumentado el uso de los neumáticos radiales los cuales garantizan un reparto uniforme de la carga y minimizan el coeficiente de fricción en la carretera y por consecuencia, la resistencia a la rodadura, la cual se puede calcular mediante la siguiente ecuación 10 mencionada con anterioridad en la página 13 para poder resolver el cálculo de la resistencia a la rodadura.
𝑅𝑟 = 𝑓 ∗ 𝑝
Cálculo de la resistencia a la rodadura para tierra compacta comparación entre el vehículo Ranger EV Polaris vs vehículo tipo Polaris Arenero se la puede observar en la tabla 4.
Tabla 4. Cálculo de la resistencia a la rodadura
RANGER EV POLARIS VEHÍCULO TIPO POLARIS
𝑅𝑟 = 𝑓 ∗ 𝑝
𝑓 = 50𝐾𝑔 𝑡
𝑃 = 771𝐾𝑔; 0.771 𝑡𝑜𝑛 𝑃 = 510𝐾𝑔; 0.51 𝑡𝑜𝑛
𝑅𝑟 = 50𝐾𝑔
𝑡 ∗ 0.771𝑡 𝑅𝑟 = 38.55 𝐾𝑔
𝑅𝑟 = 50𝐾𝑔
37
3.3.1.2 Pruebas potencia tierra compacta
Para el cálculo en tierra compacta se utiliza la siguiente ecuación 11 mencionada con anterioridad en la página 13 comparando la potencia para el vehículo Ranger EV Polaris vs vehículo tipo Polaris Arenero que se puede observar en la tabla 5.
Tabla 5. Cálculo de potencia
RANGER EV POLARIS VEHÍCULO TIPO POLARIS
𝑊𝑟 = 𝑅𝑟 ∗ 𝑉 75 ∗ 3.6
𝑊𝑟 =38.55 𝐾𝑔 ∗ 40 75 ∗ 3.6
𝑊𝑟 = 1542 270
𝑊𝑟 = 5.71 𝐶𝑉 ó 5.63 𝐻𝑃
𝑊𝑟 =25.5 𝐾𝑔 ∗ 40 75 ∗ 3.6
𝑊𝑟 = 1020 270
𝑊𝑟 = 3.77 𝐶𝑉 ó 3.71 𝐻𝑃
3.3.1.3 Pruebas de la resistencia al aire
La resistencia del aire influye directamente sobre el movimiento del vehículo, (oposición del aire al avance de un cuerpo), siendo el aire la resistencia de arrastre, la cual tiene dirección horizontal y sentido contrario al movimiento, la que principalmente opone la resistencia al movimiento para lo cual se utiliza la siguientes ecuación 12, 13 mencionadas en la página 13
𝑅𝑎 = 𝐾 ∗ 𝑆 ∗ 𝑉2
𝐾 = 𝛾 𝐶 2𝑔
La superficie maestra S, se obtiene de forma aproximada y se multiplica el ancho (a) por el alto (h) del vehículo del vehículo, afectado por un coeficiente de (0.8) expresado en la ecuación 14 mencionada con anterioridad en la página 14
38 El valor de C se lo obtiene de la siguiente tabla 6:
Tabla 6. Constante aerodinámica Turismo Camiones
C 0.15 1.5
C (diseño) 0.25 – 0.7 1 – 1.5
Fuente: (Cascajosa, 2006).
Para el cálculo de la resistencia del aire para el vehículo Ranger EV Polaris vs vehículo tipo Polaris Arenero se puede observar en la tabla 7.
Tabla 7. Cálculo de la resistencia del aire
RANGER EV POLARIS VEHÍCULO TIPO POLARIS
𝑅𝑎 = 𝐾 ∗ 𝑆 ∗ 𝑉2
𝐾 = 𝛾 𝐶 2𝑔
𝑆 = 0.8 ∗ 𝑎 ∗ ℎ(𝑚2)
𝑆 = 0.8 ∗ 1.44 ∗ 1.85 = 2.13 𝑚2
𝐾 = 1.24𝐾𝑔 𝑚3∗
0.7 2 (9.81𝑚
𝑠2)
𝐾 = 0.44𝐾𝑔 ∗ 𝑠
2
𝑚4
𝑆 = 0.8 ∗ 1.85 ∗ 1.385 = 2.05 𝑚2
𝐾 = 1.24𝐾𝑔 𝑚3∗
0.7 2(9.81𝑚
𝑠2)
𝐾 = 0.44𝐾𝑔 ∗ 𝑠
2
𝑚4
𝑅𝑎 = 0.044𝐾𝑔 ∗ 𝑠
2
𝑚4 ∗ 2,13 𝑚2
∗ (11.11𝑚 𝑠)
2
𝑅𝑎 = 11.568 𝐾𝑔
𝑅𝑎 = 0.044𝐾𝑔 ∗ 𝑠
2
𝑚4 ∗ 2,053 𝑚2
∗ (11.11𝑚 𝑠)
2
39
3.3.1.4 Pruebas de la potencia del aire
Para el cálculo de la potencia del aire se utiliza la ecuación 15 mencionadas con anterioridad en la página 14, para poder remplazar los valores antes obtenidos y poder calcular la potencia del aire en terreno asfaltado.
𝑊
𝑎=
𝑅
𝑎∗ 𝑉
75 ∗ 3.6
Para el cálculo de la potencia del aire para el vehículo Ranger EV Polaris vs vehículo tipo Polaris Arenero se puede observar en la tabla 8.
Tabla 8. Cálculo de potencia del aire
RANGER EV POLARIS VEHÍCULO TIPO POLARIS
𝑊𝑎 =
𝑅𝑎∗ 𝑉 75 ∗ 3.6
𝑊𝑎 = 11.568 𝐾𝑔 ∗ 40 75 ∗ 36
𝑊𝑎 = 0.1714𝐶𝑉 ó 0.1689 𝐻𝑃
𝑊𝑎 = 11.149 𝐾𝑔 ∗ 40 75 ∗ 36
𝑊𝑎 = 0.1651𝐶𝑉 ó 0.1627 𝐻𝑃
3.3.1.5 Pruebas de la resistencia por pendiente
La resistencia por pendiente, es la atracción de la gravedad de la tierra, es decir la fuerza de oposición que se ejerce sobre el vehículo por el efecto de la atracción terrestre, como también es la resistencia que se opone al avance del vehículo cuando éste sube una pendiente. Por lo tanto, se requiere de una fuerza equivalente, suministrada por el motor, para vencerla y permitir el avance de la unidad, esta resistencia se calcula con siguiente ecuación 16 mencionada con anterioridad en la página 14.
𝑅𝑝 = 𝑃 ∗ 𝑡𝑔(𝛼)
Dónde:
40 α: Ángulo entre la pendiente y el plano horizontal, [°]
En la siguiente figura 20. Se puede identificar de forma detallada una pendiente de forma habitual, la cual se expresa:
X metros de subida vertical por cada 100 metros recorridos horizontal, de esta forma se puede calcular la resistencia por pendiente para comparar los dos tanto el vehículo RV Ranger Polaris y el vehículo tipo Polaris Arenero.
Figura 20. Resistencia por pendiente (Cascajosa, 2006)
Para el cálculo de la resistencia por pendiente para el vehículo Ranger EV Polaris vs vehículo tipo Polaris Arenero se puede observar en la tabla 9.
Tabla 9. Cálculo de la resistencia por pendiente
RANGER EV POLARIS VEHÍCULO TIPO POLARIS
𝑅𝑝 = 𝑃 ∗ 𝑡𝑔 (𝛼)
𝑅𝑝 = 0.771 𝑇𝑜𝑛 ∗ 15 100∗
1000 𝐾𝑔 1𝑡𝑜𝑛
𝑅𝑝 = 115.65 𝐾𝑔
𝑅𝑝 = 0.51 𝑇𝑜𝑛 ∗ 15 100∗
1000 𝐾𝑔 1𝑡𝑜𝑛
41
3.3.1.6 Pruebas de la resistencia a la inercia
La resistencia por inercia es la inercia de los cuerpos a la rotación. Esto significa que varias partes de la cadena cinemática (árbol de leva, cigüeñal, disco de embrague, árbol de transmisión, etc.) poseen una inercia proporcional a su masa que tiende a frenar su propio movimiento de rotación. Es la causa para que los fabricantes de motores desarrollen investigaciones para poder reducir la masa relativa de estas piezas móviles, lo que mejora porcentualmente el rendimiento del motor utilizando las siguientes ecuaciones 17, 18 mencionadas con anterioridad en la página 14 y 15.
𝑅𝑗 = 100 ∗ 𝑃 ∗ 𝑗
Por lo que se conoce que la resistencia a la inercia está dada por incremento de velocidad.
𝑗 = (𝑉2− 𝑉1) 𝑡
Para el cálculo de la resistencia por inercia para el vehículo Ranger EV Polaris vs vehículo tipo Polaris Arenero se puede observar en la tabla 10.
Tabla 10. Cálculo a la resistencia por inercia
RANGER EV POLARIS VEHÍCULO TIPO POLARIS
𝑅𝑗 = 100 ∗ 𝑃 ∗ 𝑗
𝑗 = (𝑉2− 𝑉1) 𝑡
𝑗 =(19.44 − 13.88) 𝑚 𝑠⁄ 15 𝑠
𝑗 = 0.37 𝑚 𝑠⁄ 2
𝑅𝑗 = 100 ∗ 0.771𝑡𝑜𝑛 ∗ 0.37 𝑚 𝑠⁄ 2
𝑅𝑗 = 28.52 𝐾𝑔
𝑗 =(19.44 − 13.88) 𝑚 𝑠⁄ 15 𝑠
𝑗 = 0.37 𝑚 𝑠⁄ 2
𝑅𝑗 = 100 ∗ 0.51𝑡𝑜𝑛 ∗ 0.37 𝑚 𝑠⁄ 2
42
3.3.1.7 Prueba de potencia mínima necesaria para moverse en tierra compacta a una velocidad de 40 km/h
Para obtener se debe multiplicar la resistencia por su correspondiente velocidad, así se encuentra la potencia necesaria para vencerla utilizando la ecuación 19 mencionada con anterioridad en la página 15.
𝑊𝑚 = (𝑅𝑟+ 𝑅𝑎) ∗ 𝑉
Para el cálculo de la potencia mínima para el vehículo Ranger EV Polaris vs vehículo tipo Polaris Arenero se puede observar en la tabla 11.
Tabla 11.Cálculo de potencia mínima
RANGER EV POLARIS VEHÍCULO TIPO POLARIS
𝑊𝑚 = (𝑅𝑟+ 𝑅𝑎) ∗ 𝑉
𝑊𝑚 = (38.5 + 11.568)𝐾𝑔 ∗ 11.11 𝑚 𝑠⁄
𝑊𝑚 = 556.25𝐾𝑔
𝑚 𝑠
𝑊𝑚7.31 𝐻𝑃
𝑊𝑚= (25.5 + 11.149)𝐾𝑔
∗ 11.11 𝑚 𝑠⁄
𝑊𝑚 = 407.17 𝐾𝑔𝑚 𝑠
𝑊𝑚 = 5.35 𝐻𝑃
3.3.1.8 Prueba de potencia por pendiente, wp cuando supera el 15% a una velocidad de 40km/h por tierra compacta
De la Ecuación (Rp). Se toma la resistencia por pendiente para obtener la potencia Wp, con los parámetros antes mencionados. (Ra, es despreciable en este cálculo), utilizando las ecuaciones 20, mencionada con anterioridad en la página 15.
Wp = (𝑅𝑟+ 𝑅𝑝) ∗ 𝑉 3.6
43 Wmax = Wm
Por perdidas pasivas se considera de forma general un porcentaje máximo de 15% de perdidas suministrada por el motor, que corresponde entre un 5% y un 10% (según vehículos) de los elementos de la transmisión que intervienen de forma constante, y un 5% a la intervención de cada tren de engranaje de la caja de cambios.[6]
Suponiendo en una situación de pérdidas pasivas del (15%) se obtiene que:
𝑊𝑚𝑎𝑥 = ? ? 𝐻𝑃 𝑎𝑙 85 % (𝑐𝑜𝑛 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑎𝑙 15 %)
𝑊𝑚𝑎𝑥 =? ? 𝐻𝑃 𝑎𝑙 100% (sin 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛)
La potencia máxima que se desarrollara en pendiente se obtiene mediante la siguiente ecuación [19] mencionada con anterioridad en la página 8.
𝑊𝑚á𝑥 = 𝑊𝑎 + 𝑊𝑝
Para el cálculo de la potencia máxima para el vehículo Ranger EV Polaris vs vehículo tipo Polaris Arenero se puede observar en la tabla 12.
Tabla12. Cálculo potencia máxima
RANGER EV POLARIS VEHÍCULO TIPO POLARIS
Wp=
(𝑅𝑟+ 𝑅𝑝) ∗ 𝑉 3.6
Wmax= Wm
𝑊𝑚𝑎𝑥 = 𝑊𝑎+ 𝑊𝑝
𝑊𝑝=
(38.55 + 115.65)𝑘𝑔 ∗ 40 3.6
𝑊𝑝 = 1713.33
𝑘𝑔𝑚
𝑠 ; 22.53 𝐻𝑃
𝑊𝑚 = 7.31𝐻𝑃
𝑊𝑚𝑎𝑥 = 7.31 𝐻𝑃 𝑎𝑙 85 %
𝑊𝑝 =
(25.5 + 76.5)𝑘𝑔 ∗ 40 3.6
𝑊𝑝 = 1133.33
𝑘𝑔𝑚
𝑠 ; 14.91 𝐻𝑃
𝑊𝑚 = 5.5𝐻𝑃
44 ( 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛 15 %)
𝑊𝑚𝑎𝑥 = 8.40 𝐻𝑃 𝑎𝑙 100% (sin 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛)
𝑊𝑚𝑎𝑥 = (0.17 + 22.53)𝐻𝑃
𝑊𝑚𝑎𝑥 = 22.7 𝐻𝑃 𝑎𝑙 85%
(𝑐𝑜𝑛 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑠𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑎𝑙 15%)
𝑊𝑚𝑎𝑥 = 26.10 𝐻𝑃 𝑎𝑙 100% (sin 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑠𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛)
(𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑎𝑙 15 %)
𝑊𝑚𝑎𝑥 = 6.47 𝐻𝑃 𝑎𝑙 100% (sin 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛)
𝑊𝑚𝑎𝑥 = (0.162 + 14.91)𝐻𝑃
𝑊𝑚𝑎𝑥 = 15.072 𝐻𝑃 𝑎𝑙 85%
(𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑠𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑎𝑙 15%)
45 Para poder comparar los resultados obtenidos después de realizar los
cálculos pertinentes para el tipo de tierra compacta se pueden observan en la siguiente tabla 13.
Tabla 13. Resultados en tierra compacta
PARÁMETROS RANGER EV POLARIS PROTOTIPO POLARIS ARENERO CÁLCULOS Resistencia por rodadura, Rr
Rr=38.55 Kg Rr= 25.5 Kg
Potencia por rodadura, Wr
Wr= 5.71 Hp Wr= 3.77 Hp
Superficie maestra, S S= 2.13 S= 2.053
Resistencia al aire, Ra Ra= 11.568 Kg Ra= 11.149 Kg
Potencia al aire, Wa Wa= 0.1689 Hp Wa= 0.16519 Hp
Resistencia por pendiente, Rp
Rp= 115.65 Kg Rp= 76.5 Kg
Resistencia por inercia, Rj
Rj= 28.52 Kg Rj= 18.87 Kg
Potencia mínima, Wm Wm= 7.31 Hp Wm= 5.35 Hp
Potencia por pendiente, Wp, al superar una pendiente del 15 %, o a un ángulo de inclinación de 8.53°
Wp= 22.53 Hp Wp= 14.91 Hp
Potencia máxima en línea recta, Wmax
Wmax= 8.40 Hp Wmax= 6.47 Hp
Potencia máxima en pendiente, Wmax, al superar una pendiente del 15 %, o a un ángulo de inclinación de 8.53°
Wmax= 26.10 Hp Wmax= 17.73 Hp
