UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO, CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE UN
BANCO DIDÁCTICO DE SIMULACIÓN DE LA TRANSMISIÓN
DE UN VEHÍCULO HÍBRIDO SERIE Y PARALELO
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
VINICIO DAMIÁN MERINO POZO
DIRECTOR: ING. JUAN CARLOS LUCERO
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2017
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1500818461
APELLIDO Y NOMBRES: Merino Pozo Vinicio Damián DIRECCIÓN: Valle de los Chillos, Conocoto
EMAIL: vinidamian666@hotmail,com
TELÉFONO FIJO: 02-4510277
TELÉFONO MOVIL: 0960190803
DATOS DE LA OBRA
TITULO: Diseño, construcción e implementación de un banco didáctico de simulación de la transmisión de un vehículo híbrido serie y paralelo.
AUTOR O AUTORES: Vinicio Damián Merino Pozo
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
17/05/2017
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Ing. Juan Carlos Lucero
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: Mínimo 250 palabras El presente proyecto de investigación consistió en el diseño, construcción e implementación de un banco didáctico de simulación del sistema de transmisión de un vehículo híbrido serie y paralelo. Se realizó la investigación bibliográfica a fin de contar con los criterios técnicos que permitieron la construcción del banco. Se realizó el diseño estructural del banco metálico con la ayuda del software Solidworks, que permite simular la arquitectura del banco elaborado con acero ASTM A36 sometido a cargas y avizorando el comportamiento del material utilizado.
Adicionalmente se hizo los cálculos
necesarios para determinar la potencia de los motores, para esto se tuvo en cuenta el peso de las ruedas dentadas que componen el
sistema, también se realizó el diseño mediante flujogramas de los escenarios que el operario puede seleccionar al momento de la simulación, una vez contemplados todos estos factores se procedió a la construcción del banco, se inició con la elaboración de la
estructura metálica que sostiene la
transmisión, se realizó el montaje de la transmisión híbrida y los motores procurando
tener una correcta adecuación, a
continuación se instaló el control que opera todo el accionar de este sistema mediante una computadora que acata las instrucciones dadas por el operario llamada LOGO. Como
punto final se ejecutó pruebas que
permitieron determinar que tanto el diseño de la estructura, los elementos utilizados y el control instalado fueron los adecuados para la realización del presente trabajo, cumpliendo de esta manera con los objetivos
plantados inicialmente y siendo un
instrumento que complemente el aprendizaje practico de nuevas tecnologías sobre transmisiones híbridas.
PALABRAS CLAVES: Transmisión, híbrido, control, variadores,
motores, simulación, banco.
ABSTRACT: The research project here presented
consisted of the design, construction and implementation of a series and parallel hybrid vehicle system of transmission simulation didactic workbench. The bibliographic investigation was done to know the technical criteria that allowed the workbench´s
construction. The metallic workbench
DEDICATORIA
Este trabajo va dedicado a Dios por darme bendiciones y la oportunidad de alcanzar una de mis metas.
También a mi madre Mariana Pozo por creer en mí incluso en los momentos en que nadie lo hizo, a mi padre Marco Merino por darme el
apoyo necesario, los recursos y una que otra reprimenda cuando lo necesitaba, a mis hermanas María Eulalia Merino y Daniela Mosquera por
toda la ayuda, a mi familia por darme las manos para seguir adelante, y a mis amigos que me apoyaron.
AGRADECIMIENTO
Mis sinceros agradecimientos a mi madre Mariana Pozo, a mi padre Marco Merino, a mis hermanas María Eulalia y Daniela, a mi familia y
amigos, a la Universidad Tecnológica Equinoccial, a la Facultad de Ingenierías, a la carrera de Ingeniería Automotriz, a los docentes de esta
prestigiosa Universidad.
Les agradezco el esfuerzo y todos los conocimientos que me fueron impartidos.
A mi director de tesis Msc. Juan Carlos Lucero, le agradezco su tiempo, paciencia y su motivación, a mis evaluadores Msc. Milton Revelo y Msc.
Alex Guzmán de igual manera les agradezco su tiempo y sus enseñanzas.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ... 1
ABSTRACT ... 2
1. INTRODUCCIÓN ... 3
2. METODOLOGÍA ... 9
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 11
3.1 SELECCIÓN DE LA TRANSMISIÓN... 11
3.1.2 ANÁLISIS DEL SISTEMA DE LA TRANSMISIÓN DE FORD ESCAPE ... 12
3.1.3 EVALUACIÓN DE ELEMENTOS DEL SISTEMA ... 13
3.2 DISEÑO DEL BANCO DIDÁCTICO DE SIMULACIÓN DE LA TRANSMISIÓN HÍBRIDA SERIE Y PARALELO ... 16
3.2.1 SELECCIÓN DE LOS MOTORES SIMULADORES. ... 17
3.2.2 PREDISEÑO DEL BANCO METÁLICO ... 21
3.2.2 PROPIEDADES DEL ACERO SELECCIONADO ... 22
3.2.3 ANÁLISIS DEL BANCO EN EL PROGRAMA SOLIDWORKS ... 23
3.2.4 DISEÑO DEL CONTROL ELECTRÓNICO DE LOS MOTORES ... 27
3.3 CONSTRUCCIÓN DEL BANCO METÁLICO Y MONTAJE DE ELEMENTOS ... 28
3.3.1 CONSTRUCCIÓN DEL BANCO METÁLICO ... 28
3.3.2 MONTAJE DE ELEMENTOS ... 31
3.3.3 CONSTRUCIÓN DEL CONTROL ... 32
3.4 IMPLEMENTACIÓN Y PRUEBAS ... 35
3.4.1 PRUEBA EN ON, POSICIÓN EN PARKING CON LA BATERIA DESCARGADA ... 35
3.4.2 PRUEBA EN ON, POSICIÓN EN DRIVE CON LA BATERIA CARGADA SIN ACELERAR ... 37
ii 3.4.4 PRUEBA EN ON, POSICIÓN EN DRIBE CON LA
BATERIA DESCARGADA SIN ACELERAR ... 39
3.4.5 PRUEBA EN ON, POSICIÓN EN REVERSE O RETRO CON LA BATERIA CARGADA SIN ACELERAR ... 39
3.4.6 PRUEBA EN ON, POSICIÓN EN REVERSE O RETRO CON LA BATERIA DESCARGADA SIN ACELERAR ... 40
3.4.7 PRUEBA EN ON, POSICIÓN EN REVERSE O RETRO CON BATERIA CARGADA O DESCARGADA ACELERANDO ... 40
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 42
4.1 CONCLUSIONES ... 42
4.2 RECOMENDACIONES ... 43
5. BIBLIOGRAFÍA ... 44
iii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Especificaciones de potencia, torsión y consumo del
vehículo Ford escape híbrido ... 12
Tabla 2. Resistencias medidas fase/fase al motor generador 2 (MG2) ... 14
Tabla 3. Resistencias medidas fase/fase al motor generador 1 (MG1) ... 14
Tabla 4. Masas de los elementos de la transmisión ... 17
Tabla 5. Coeficiente de rozamiento ... 18
Tabla 6. Radios de los elementos de la transmisión ... 19
Tabla 7. Características de los motores adquiridos para el proyecto ... 20
Tabla 8. Propiedades mecánicas del acero ASTM A36 ... 22
Tabla 9. Propiedades volumétricas del banco de acero ... 23
Tabla 10. Datos de propiedades mecánicas ... 24
Tabla 11. Masas de los elementos del banco. ... 24
Tabla 12. Cargas aplicadas al banco metálico ... 24
Tabla 13. Fuerzas de reacción del banco metálico ... 25
Tabla 14. Factor de seguridad del banco metálico ... 26
Tabla 15. Voltaje obtenido de simulación en parking ... 36
Tabla 16. Voltaje obtenido del motor generador a bajas revoluciones producidas por el MG2 ... 37
Tabla 17. Voltaje en marcha cuando inicia el MCI a moverse. ... 38
Tabla 18. Voltaje del MG2 y el MCI en altas revoluciones. ... 38
Tabla 19. Voltaje en drive, batería descargada sin acelerar. ... 39
Tabla 20. Voltaje en reversa, batería cargada y bajas revoluciones. ... 40
Tabla 21. Voltaje en reversa, batería descargada sin acelerar ... 40
iv
ÍNDICE DE FIGURAS
PÀGINA
Figura 1. Sistema híbrido serie paralelo ... 5
Figura 2. Sistema de engranaje planetario ... 6
Figura 3. Transmisión Ford Escape Híbrido ... 11
Figura 4. Sistema de transmisión del vehículo Ford escape siniestrado vista lateral ... 11
Figura 5. Diagrama de transmisión Ford escape híbrido ... 12
Figura 6. Motores generadores de la transmisión del vehículo Ford escape híbrido ... 13
Figura 7. Medición de resistencia fase/fase al motor generador ... 13
Figura 8. Medición de continuidad entre fase y la estructura ... 14
Figura 9. Daños de la tarjeta de control de la transmisión ... 15
Figura 10. Inversores de los motores generadores ... 15
Figura 11. Engranajes del sistema de transmisión ... 16
Figura 12. Engranajes epicicloidales ... 16
Figura 13. Diagrama de la transmisión del vehículo Ford Escape Híbrido ... 17
Figura 14. Motor eléctrico de 0,7457W o 1 HP ... 21
Figura 15. Pre diseño del banco metálico elaborado en Google Sketchup ... 21
Figura 16. Tubos de acero ... 22
Figura 17. Plancha de acero ... 23
Figura 18. Banco en el programa Solidworks... 23
Figura 19. Deformación del banco metálico ... 25
Figura 20. Deformación unitaria del banco metálico ... 26
Figura 21. Diagrama de funcionamiento de parking y neutro ... 27
Figura 22. Diagrama de funcionamiento Drive ... 27
Figura 23. Diagrama de funcionamiento de retro ... 28
Figura 24. Diseño estructural del banco metálico ... 29
Figura 25. Diseño de la plancha que va encima de la estructura metálica ... 29
v
Figura 27. Banco soldado con estructuras laterales en forma de A ... 30
Figura 28. Banco metálico soldado. ... 31
Figura 29. Transmisión montada en el banco. ... 31
Figura 30. Fijado del banco a través de pernos ... 32
Figura 31. Estructuras para montaje de motores simuladores ... 32
Figura 32. Montaje de componentes electrónicos al fondo del tablero. ... 33
Figura 33. LOGO. ... 33
Figura 34. LOGO y expansión de analógicas... 34
Figura 35. Programa LOGO!SoftComfort. ... 35
Figura 36. Seleccionador neutro, batería descargada y bajas revoluciones ... 36
Figura 37. Selección marcha, batería cargada y bajas revoluciones. ... 37
Figura 38. Posición en marcha y acelerando. ... 38
Figura 39. Selección reversa, batería cargada y acelerando. ... 39
vi
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
Anexo 1. Preforma del costo de la transmisión del vehículo Ford
Escape Híbrido nueva 46
Anexo 2. Fotografía de la placa de control del sistema de la transmisión híbrida del vehículo Ford Escape deteriorada 47
Anexo 3. Fotografía del sistema de engranajes epicicloidales del vehículo Ford Escape Híbrido 48
Anexo 4. Plano de la estructura del banco 49
Anexo 5. Plano de la placa superior de la estructura 50
Anexo 6. Programación en el Programa LOGO!SOFTCONTROL 51
1
RESUMEN
El presente trabajo investigativo, se realizó con la finalidad de complementar el aprendizaje práctico sobre sistemas de transmisión de vehículos híbridos, se optó por utilizar el sistema de transmisión de un auto Ford Escape Híbrido del año 2010. La realización del proyecto se inició con una profunda investigación bibliográfica sobre transmisiones híbridas, de esta manera se establecieron los criterios necesarios con los que se construyó el banco didáctico de simulación. Posteriormente se realizó el diseño de la estructura metálica que soportará el sistema, utilizando el software Solidworks que simula el comportamiento del banco sometido a cargas, permitiendo así seleccionar los materiales idóneos para su construcción, también se realizaron cálculos cuya base fueron los pesos de las diferentes ruedas dentadas que contiene la transmisión, con esos valores se determinó los motores y variadores que complementaron el sistema. Adicionalmente se realizaron flujogramas que permitan avizorar los diferentes escenarios que se seleccionaron para ejecutar la simulación. Con este análisis se procedió a la construcción del banco de acero ASTM A36 debido a sus características de resistencia y montaron los elementos del sistema de simulación, también se instaló el control electrónico que tiene una computadora central llamada LOGO considerando la complejidad del sistema que se construyó, para finalizar se realizaron pruebas de funcionamiento, se realizaron las diferentes simulaciones que se diseñaron para el control electrónico, permitiendo determinar que la estructura física, los motores, variadores y el control electrónico instalado, son adecuados para la correcta simulación del sistema de transmisión que tienen los vehículos híbridos, pudiendo de esta manera dar cumplimiento óptimo a los objetivos planteados para este trabajo.
2
ABSTRACT
The present research was done with the purpose of completing the practical learning about transmission systems in hybrid vehicles. The transmission system used is from a 2010 Hybrid Ford Escape. The research started with a deep bibliographical investigation on hybrid transmissions, establishing the criteria by which the workbench was assembled. Further, the metallic workbench structural design was developed with the aid of Solidworks software. This software simulates charges that the workbench would undergo, allowing to choose the ideal materials for its construction. Other calculations were also made based on different weights, which were the various dented gears that the transmissions hold. According to these numbers, the engines and inverters were chosen. Additionally, flowcharts were made to observe the different scenarios that were selected to complete the simulation. After this analysis, the construction of the ASTM A36 workbench began, having in mind its characteristics and resistance. Considering the complexity of the system developed, the electronic control was also installed, holding a central computer called LOGO. To finalize, tests were done. These ensured the proper functioning of simulations for which the electrical control was designed. All these allowed determining that the physical structure, the engines, the inverters, and the electrical control are adequate for the correct simulation of the transmission system of hybrid vehicles. Hence, accomplishing the objectives established for this research.
3
1. INTRODUCCIÓN
El presente trabajo tuvo como finalidad reforzar los conocimientos teóricos adquiridos sobre las nuevas tecnologías en el campo automovilístico, la misión es mantenerse a la vanguardia sobre sistemas de actualidad como son las transmisiones de vehículos híbridos. Sin embargo existe cierta dificultad en su estudio dado que el modo de enseñanza de esta tecnología es en su mayoría teórica, contando con un vehículo hibrido en pleno funcionamiento, surgió así la necesidad de contar con un banco didáctico únicamente de simulación de transmisión de un vehículo híbrido, esto genera que no se tenga que recurrir directamente al vehículo de transmisión híbrida, donde se deben desmontar varias piezas o partes para observar su funcionamiento, lo que esto acarrea problemas como tiempos innecesarios, esfuerzos, costo, entre otros.
Por esta razón fué necesario diseñar, construir e implementar un banco didáctico de simulación el cual permita a estudiantes, a las personas interesadas y afines las que han tenido la necesidad de apreciar las funciones de los diferentes elementos que componen el sistema de transmisión de un vehículo híbrido, generando ventajas como la facilidad de desarme, ahorro de tiempo, esfuerzo y poder observar, estudiar, analizar, simular las partes internas y externas que contiene este tipo de transmisión. Con la finalidad de promover el estudio práctico y minimizar los problemas que acarrea; el objetivo general de este trabajo fue, diseñar, construir e implementar un banco didáctico de simulación de la transmisión de un vehículo híbrido serie y paralelo; el primer objetivo específico, fue, analizar, evaluar y comparar conceptos y parámetros necesarios para elaborar un banco didáctico de simulación de un vehículo híbrido serie y paralelo. Segundo objetivo específico fue, diseñar y seleccionar los componentes adecuados para la construcción del banco didáctico de simulación de la transmisión híbrida. Tercer objetivo fue, construir un banco didáctico de simulación de la transmisión de un vehículo híbrido serie y paralelo. Cuarto objetivo específico fue, implementar y realizar pruebas de funcionamiento del banco didáctico de simulación de la transmisión de un motor híbrido serie y paralelo para la puesta a punto.
4 se utilizó 2 motores ABB de 1 Hp con 2 inversores que controlan su funcionamiento y adicional una computadora central Siemens LOGO que opera los inversores, obteniendo así usa simulación completa del funcionamiento de la transmisión de un vehículo hibrido serie y paralelo, con la finalidad de ser una herramienta de fácil operación y estudio que permita comprender los principios básicos de funcionamiento el cual está implementado en los vehículos híbridos de comercialización nacional. Inicialmente el vehículo hibrido fue desarrollado a finales del siglo XIX, sin embargo en esa época no tuvo gran acogida debido a que en el siglo XX se empezó a extraer intensamente el petróleo. Esto generó que los precios de sus derivados fueran muy económicos, por lo tanto la industria automotriz se enfocó principalmente en motores que utilicen hidrocarburos como fuente de energía, dejando de lado los motores y los sistemas que presentaban otro tipo de energía para su funcionamiento.
En la actualidad las empresas fabricantes de vehículos están a la vanguardia respecto a eficiencia del consumo de combustible y las emisiones que se genera al medio ambiente, por lo que producen vehículos más eficientes que les permitan superar los estándares exigidos por las instituciones encargadas del control vehicular.
La importación en el Ecuador del primer auto hibrido fue realizada por Toyota en el año 2005, pero tuvo mayor acogida por parte del mercado a partir del año 2006, sin embargo fue en el año 2010, donde se da el mayor número de ventas de este tipo de autos. Se proyecta que para el 2020 tenga un 20% del total de todos los vehículos en el parque automotor, debido a que esta nueva tecnología es amigable con el medio ambiente.
Incluso vehículos de alta gama ya presentan sus híbridos al mercado como BMW X6 ActiveHybrid, Lexus RX 450h, Cadillac Escalade Hybrid y Porsche Cayenne híbrido, pero Porsche implementó un sistema enchufable para cargar las baterías, los vehículos híbridos enchufables son el último eslabón antes de ser un auto completamente eléctrico, y los fabricantes van inclinados a esta tendencia.
5 térmico, que se cataloga en función del carburante que necesite para funcionar (gasolina, diésel, biocarburantes, gas natural, hidrogeno, aire…) con otro, o incluso varios, eléctricos” (GIL MARTÍNEZ, 2010).
Los vehículos híbridos según su diseño son en serie, paralelo o combinado serie y paralelo, el hibrido en serie presenta al motor de combustión interna desconectado totalmente del eje de la transmisión pero va conectado directamente al motor generador 1, por lo tanto la única función del motor de combustión interna es generar energía para cargar las baterías, este vehículo presenta únicamente tracción generada por el motor generador 2, este sistema es sumamente eficiente ya que en algunos modelos se puede prescindir del motor de combustión interna durante una distancia entre 32 km y 100 km, son denominados vehículo eléctrico hibrido de rango extendido, los vehículos en paralelo aprovechan tanto el motor de combustión interna como el motor eléctrico para dar tracción, éstos pueden generar movimiento de forma solidaria como independiente dependiendo del diseño del vehículo.
Los vehículos híbridos serie y paralelo cuentan con las dos estructuras combinadas se caracterizan por que utilizan un sistema de engranajes planetarios para transmitir el movimiento desde los diferentes motores hasta el eje que va a las ruedas y tener una mejor eficiencia energética como se observa en la figura 1, estos sistemas de engranajes epicicloidales también se los encuentra en vehículos con cambios automáticos y se manipula el frenado de los elementos por medio de bandas o embragues para generar la transmisión mediante los sistemas que no están frenados, incluso pueden juntarse 2 o más sistemas de engranajes y así dar mayor número de cambios o velocidades, sin embargo en los vehículos híbridos suelen ir conectados todos los elementos del sistema de engranajes a los diferentes motores que contiene.
Figura 1. Sistema híbrido serie paralelo
(Aficionados a la mecánica, 2014)
6 eléctrico 2 va engranado a la corona como se observa en la figura 2, el motor eléctrico 1 trabaja básicamente de dos formas, la una es dar arranque al motor de combustión interna y la otra es recibir la energía mecánica del motor de combustión interna, transformarla en energía eléctrica y almacenarla en la batería.
Figura 2. Sistema de engranaje planetario
(Slideshare, 2014)
La batería es una acumuladora que acapara suficiente energía como para lograr mover el coche, antes de que esa energía llegue al motor pasa por el inversor.
“Conjunto del inversor Se encarga de transformar y administrar el flujo de electricidad entre la batería y el motor eléctrico. El inversor convierte la corriente continua de alta tensión de la batería HV a corriente alterna trifásica para impulsar el MG” (JESÚS PASCUAL QUILEZ, 2014).
El inversor cambia la corriente continua entregada por las baterías a corriente trifásica para alimentar el motor eléctrico también controla la frecuencia que básicamente es la que le da velocidad al motor y también puede controlar el sentido del giro, el motor eléctrico 2 va engranado directamente a la corona del diferencial y con eso se logra transmitir el movimiento hasta las ruedas, cuando el conductor acelera la computadora del vehículo da la orden de encender el motor de combustión interna, el giro es solidario con el del motor eléctrico 2 generando mayor potencia.
Este tipo de transmisión se conoce como eCVT que significa transmisión variable continua controlada electrónicamente, “combina la potencia del motor y del motor eléctrico para transmitirla a las ruedas cuando aceleras. Fabricado, diseñado y producido en las instalaciones de Ford, el sistema eCVT elimina los cambios de las transmisiones convencionales ofreciendo una experiencia de manejo perfecta.” (Ford Motor Company, 2016).
7 elementos generan, estas cargas son analizadas virtualmente gracias al programa SolidWorks, este software también proporciona un factor de seguridad el cual indica si la estructura es adecuada para soportar las diferentes cargas a las que está sometida.
Otro factor que se consideró para el diseño del banco de simulación fué la potencia de los motores, tanto el motor de combustión interna y el motor generador 2 tienen mucha potencia, esto es debido a que su finalidad es generar el movimiento del vehículo entero, en cambio para una simulación son demasiado potentes y por eso se ocupó motores de menor potencia, y esta potencia fue calculada mediante las siguientes fórmulas:
Para calcular el peso de los engranajes que van a ser movidos por los motores se utiliza la ecuación 1.
𝑃𝑇 = 𝑀𝑇 𝑥 𝑎 [1]
Donde:
𝑃𝑇: Es el peso del conjunto de los elementos [𝑁]
𝑀𝑇: La suma de todas las masas [𝐾𝑔]
𝑎: La aceleración que para obtener el eso es la gravedad [𝑚 𝑠⁄ ]2
Consecutivamente se calculó la fuerza de máxima de rozamiento con la ecuación 2, esta fuerza es la que se genera cuando el sistema está detenido y se quiere iniciar el movimiento es la fuerza que se opone al movimiento
𝐹𝑅𝑀 = 𝜇𝑠 𝑥 𝑁 [2]
Donde:
𝐹𝑅𝑀: Es la fuerza máxima de rozamiento [𝑁]
µ: coeficiente de rozamiento entre aceros es de 0,74
N: la fuerza normal es igual al peso [𝑁]
Una vez calculada esa fuerza se calculó el torque que genera mediante la ecuación 3, la ecuación del torque es fuerza por distancia y la distancia son los radios de cada una de las rudas dentadas que contiene el sistema.
𝑇 = 𝐹𝑅𝑀 𝑥 𝑑 [3]
Donde:
8
𝐹𝑅𝑀: es la fuerza máxima de rozamiento [𝑁]
d: es la distancia media [𝑚]
Se finalizó calculando la potencia que se necesitó para simular el movimiento del banco con la ecuación 4, se tuvo en cuenta que la potencia necesaria para vencer la inercia que tiene el sistema, ese tiempo en que el sistema sede y empezó a generar el movimiento es menor a 1 segundo.
𝑃 = 𝑇 𝑡⁄ [4]
Donde:
P: es la potencia [𝑊]
T: es el torque o trabajo [𝑁. 𝑚]
t: es el tiempo que se demora en hacer girar el sistema [𝑠]
9
2. METODOLOGÍA
La metodología utilizada para la elaboración del presente proyecto, consistió inicialmente en una investigación exhaustiva de información bibliográfica a través de libros de criterio científico, páginas web y catálogos que contengan artículos científicos sobre autos híbridos, específicamente el sistema de transmisión híbrida.
Una vez que se obtuvo este sustento teórico se establecieron los criterios para la elaboración del banco de simulación, procurando que su característica principal sea la similitud con la realidad del sistema de transmisión hibrida. Bajo este criterio, se consideró que lo más adecuado es trabajar con el sistema real de una transmisión híbrida, en el que se puedan apreciar claramente sus componentes, optando por la adquisición de la transmisión de un auto hibrido real.
Posteriormente se procedió a analizar mediante observación el sistema adquirido, realizando el desarme de sus elementos con la finalidad de conocer su estado.
Adicionalmente se ejecutaron pruebas y análisis a los motores eléctricos para medir el amperaje mediante una pinza amperimétrica, resistencias fase/fase y continuidad con un multímetro.
Se determinó que no era factible trabajar con el motor generador del mismo sistema debido a que este motor tiene suficiente potencia para mover un auto, y seria demasiada potencia para utilizarlo en el banco de simulación, teniendo eso en cuenta se realizaron cálculos de potencia, torque, fuerza, etc, para determinar los motores de potencia baja que permitan simular tanto al motor de combustión interna como al motor generador.
Una vez que se contó con los elementos necesarios, se procedió a establecer los criterios de diseño necesarios para construir el banco metálico, cuyas características permitan el adecuado soporte del peso de la transmisión y los motores adyacentes y la fácil manipulación y desarme del sistema.
Se diseñó la forma de la estructura metálica en la cual se alojaría todo el sistema, para el diseño de este banco se pensó utilizar un material muy robusto para su fabricación, y este diseño favorece a la observación y a la facilidad de desarme e interacción con el sistema, posteriormente se utilizó el programa SolidWorks para simular la estructura sometida a cargas con la finalidad de conocer si el material elegido para la fabricación del banco metálico es adecuado.
10 Después de contar con los elementos adecuados, fue necesario realizar la planificación del control de los inversores que a su vez controlan a los motores, para simular el sistema. Para efectuar el diseño del control electrónico se realizaron diagramas de flujos que representan el comportamiento del vehículo hibrido, dependiendo de factores como la batería, posición de la palanca y acelerador.
Para la realización de la parte electrónica, se tomó en cuenta los diagramas de flujos que se realizaron previamente y se utilizó varios componentes dentro del mismo sistema de control, dichos componentes permiten la interacción entre el operario y el banco, por medio de selectores de posición de fácil manipulación que envían las órdenes del operario a una computadora llamada logo.
La programación del logo que es la computadora principal que controla toda la parte electrónica, se utilizó el software informático, para elaborar la programación electrónica, que posteriormente se transfirió al logo mediante cable de red.
Para el montaje de la transmisión, se analizó la forma de la coraza con la finalidad de que esta permanezca lo mejor fijada posible, una vez fija se procedió a montar los motores simuladores, estos motores deben ser montados de tal forma que los ejes entre la coraza y los mismos queden alineados y ensamblar un elemento que conecte dichos ejes.
La elaboración del control se lo realizó en un tablero, colocando los selectores en la parte frontal para facilitar la interacción con el operario, dentro del tablero se montaron y se realizaron las conexiones de los otros elementos como el logo, la expansión, la fuente, entre otros, y posteriormente conectando el cableado a los motores.
Subsiguientemente se realizaron las pruebas para determinar la correcta interacción de la programación con el conjunto de elementos del banco, mediante las cuales se pudo encontrar ciertos errores que necesitaban ser corregidos. Una vez subsanados estos inconvenientes, se puede determinar que el banco cumple con las condiciones óptimas para simular el funcionamiento de la transmisión híbrida serie paralelo.
Para realizar el presente proyecto se utilizaron las siguientes herramientas y equipos:
- Suelda de arco eléctrico. - Multímetro.
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3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 SELECCIÓN DE LA TRANSMISIÓN
Se seleccionó la transmisión del vehículo Ford modelo escape del año 2010 como se muestra en la figura 3
Figura 3. Transmisión Ford Escape Híbrido (Daily Teck, 2016)
Puesto que se presentó la disponibilidad de obtención mediante un vehículo que se encontraba siniestrado, la diferencia de precios existente entre la transmisión nueva y ésta fue muy evidente por lo cual se optó por la adquisición de la transmisión que se observa en la figura 4 del coche accidentado.
12 El vehículo Ford Escape Híbrido cuenta con una potencia neta de 177 HP que son 131.989KW, únicamente con funcionamiento eléctrico tiene una potencia de 94HP que seria 70.0958KW, el diseño de este conjunto es el front wheel drive (FWD) que significa tracción delantera como se muestra en la tabla 1 el consumo de kilómetros por galón en la ciudad es de 54.7177, en la carretera es de 49.8897 y combinadas 51.499.
Tabla 1. Especificaciones de potencia, torsión y consumo del vehículo Ford escape híbrido ESCAPE HYBRID IMPULSADO CON MOTOR DE GASOLINA-ELECTRICO
Potencia neta 177
Motor de Ciclo Atkinson 1-4 de 2.5L
Potencia [email protected]
Torsión (lbs-pie) [email protected]
Motor Eléctrico de C.A. Sincrónico de Imán Permanente
Potencia [email protected]
Transmisión variable continua controlada electrónicamente (eCVT) FWD(Hybrid, Hybrid Limited)
34 mpg en ciudad / 31 en carretera / 32 combinadas
4WD(Hybrid, Hybrid Limited)
30 mpg en ciudad / 27 en carretera / 29 combinadas
(Catalogo Ford escape, 2011)
El precio de este sistema nuevo fue cotizado en el concesionario de Ford en 23126 dólares como se muestra en el anexo 1, este valor está representando aproximadamente 9 veces más del costo de la caja del coche siniestrado ya que el costo del conjunto fue de 2500 dólares.
3.1.2 ANÁLISIS DEL SISTEMA DE LA TRANSMISIÓN DE FORD ESCAPE
La figura 5 muestra el diagrama de la transmisión variable continua controlada electrónicamente (eCVT) de este vehículo, esta transmisión es similar a la eCVT del Toyota Prius.
Figura 5. Diagrama de transmisión Ford escape híbrido
13 La transmisión del vehículo Ford Escape Hibrido funciona mediante un conjunto de engranajes epicicloidales para transmitir el movimiento desde los motores hasta las ruedas, conectando el motor generador 2 a la corona, el motor de combustión interna al porta satélites y el motor generador uno al planeta o sol.
3.1.3 EVALUACIÓN DE ELEMENTOS DEL SISTEMA
Para el desarmado del sistema de transmisión, se inició desmontando la coraza que cubre a los motores eléctricos que se muestran en la figura 6 y a su vez es centradora de los rotores, los motores visualmente estuvieron en buen estado de igual manera sus respectivos rodamientos.
Figura 6. Motores generadores de la transmisión del vehículo Ford escape híbrido Con el fin de conocer el estado de los motores se realizó pruebas de resistencia fase/fase como se ve en la figura 7.
Figura 7. Medición de resistencia fase/fase al motor generador
14 Figura 8. Medición de continuidad entre fase y la estructura
Los resultados se visualizan en la tabla 2 para el motor generador 2.
Tabla 2. Resistencias medidas fase/fase al motor generador 2 (MG2)
Fases Resistencia (Ω)
A/B 6
B/C 6
A/C 6
De igual manera se realizó las pruebas fase/fase y de continuidad con el otro motor generador 1 dando los siguientes resultados que se visualizan en la tabla 3, y el resultado de igual manera fue nulo en continuidad entre las fases y la carcasa.
Tabla 3. Resistencias medidas fase/fase al motor generador 1 (MG1)
Fases Resistencia (Ω)
A/B 6
B/C 6
A/C 6
15 Figura 9. Daños de la tarjeta de control de la transmisión
Esta placa se encontraba alojada encima de los inversores, los inversores no presentaron daño visible como se muestran en la figura 10, pero no fueron utilizados ya que sin la tarjeta de control y el cerebro del auto no se puede utilizarlos.
Figura 10. Inversores de los motores generadores
16 Figura 11. Engranajes del sistema de transmisión
El conjunto de engranajes epicicloidales o satelitales presenta daño en la pared que encierra al planeta o sol como se muestra en la figura 12, esta figura es un extracto del anexo 3 afortunadamente no afecta en su funcionamiento.
Figura 12. Engranajes epicicloidales
3.2 DISEÑO DEL BANCO DIDÁCTICO DE SIMULACIÓN DE LA
TRANSMISIÓN HÍBRIDA SERIE Y PARALELO
17 3.2.1 SELECCIÓN DE LOS MOTORES SIMULADORES.
Para la selección de los motores eléctricos que van a simular al motor de combustión interna, y al motor generador 2 como se aprecia en la figura 13 se realizaron las siguientes consideraciones:
Figura 13. Diagrama de la transmisión del vehículo Ford Escape Híbrido
(Kevin Poet Ford Motor Company, 2012)
Debido a que se quiere mover toda la piñonería y el motor generador 1 se midieron las masas para obtener los diferentes valores en Kg, y para tener un total de todo el peso que se desea mover, los valores se los puede observar en la tabla 4.
Tabla 4. Masas de los elementos de la transmisión
Elementos Masa en Kg
Motor generador 1 21
Diferencial 11
Piñonería central 6
Piñonería del motor generador 2 2
Piñonería del motor de combustión interna
2
Engranajes epicicloidales 2
Total 44
Para calcular el peso total se utiliza la ecuación 1:
𝑃𝑇 = 𝑀𝑇 𝑥 𝑎 [1]
18
𝑃𝑇: Es el peso del conjunto de los elementos
𝑀𝑇: 44 Kg
𝑎: 9.8 m/s
𝑃𝑇 = 𝑀𝑇 𝑥 𝑎
𝑃𝑇 = 44 𝐾𝑔 𝑥 9.8 𝑚 𝑠⁄ 2
𝑃𝑇 = 431.2 𝑁
Se quiere conocer la fuerza máxima de rozamiento, la fuerza máxima de rozamiento es la que se genera cuando el sistema está en reposo y se le quiere mover o el sistema se empieza a mover, entonces es aquí donde se presenta más resistencia al movimiento, para obtener dicha fuerza es necesario tener el coeficiente de rozamiento, este coeficiente depende del material del que está hecho el elemento que se desea mover y el material donde está ese elemento, para ayudar con los coeficientes de rozamiento se utiliza la tabla 5, lo que se desea mover son las ruedas dentadas de la transmisión, estas ruedas van alojadas en sus respectivos rodamientos, haciendo que la resistencia al movimiento sea casi nula, pero en este caso se utilizará, el valor del coeficiente de rozamiento perteneciente de acero sobre acero.
Tabla 5. Coeficiente de rozamiento
Coeficientes de fricción 𝜇𝑠 𝜇𝑘
Hule sobre concreto 1.0 0.8
Acero sobre acero 0.74 0.57
Aluminio sobre acero 0.61 0.47
Vidrio sobre vidrio 0.94 0.4
Cobre sobre acero 0.53 0.36
Madera sobre madera 0.25–0.5 0.2
Madera encerada sobre nieve húmeda 0.14 0.1
Madera encerada sobre nieve seca — 0.04
Metal sobre metal (lubricado) 0.15 0.06
Teflón sobre teflón 0.04 0.04
Hielo sobre hielo 0.1 0.03
Articulación sinovial en humanos 0.01 0.003
19 Todos los valores son aproximados. En algunos casos el coeficiente de fricción puede superar 1.0, para sacar la fuerza máxima de rozamiento se utiliza la ecuación 2.
𝐹𝑅𝑀 = 𝜇𝑠 𝑥 𝑁 [2]
Donde:
𝐹𝑅𝑀: Es la fuerza máxima de rozamiento
µ: 0,74
N: 431 N
𝐹𝑅𝑀 = 𝜇 𝑥 𝑁
𝐹𝑅𝑀 = 0.74 𝑥 431. 2 𝑁
𝐹𝑅𝑀 = 319.09 N
Una vez que se tiene la fuerza que se desea vencer se requiere calcular el torque o trabajo de esa fuerza con la ayuda de la ecuación 3, para calcular el torque la distancia serían los radios de cada uno de las ruedas dentadas, para evitar eso se va a sacar la distancia media en la tabla 6.
Tabla 6. Radios de los elementos de la transmisión
Elementos Radios en metros
Motor generador 1 0.15
Diferencial 0.10
Piñonería central 0.07
Piñonería del motor generador 2 0.3
Piñonería del motor de combustión interna
0.3
Engranajes epicicloidales 0.3
Distancia media 0.068
𝑇 = 𝐹𝑅𝑀 𝑥 𝑑 [3]
Donde:
T: Es el torque
𝐹𝑅𝑀: 319.09 N
20
𝑇 = 𝐹𝑅𝑀 𝑥 𝑑
𝑇 = 319.09 𝑁 𝑥 0.068 𝑚
𝑇 = 21.7 𝑁𝑚
Una vez que se tiene el trabajo se procede a calcular la potencia que se necesita para mover todo el sistema con la ecuación 4, debido a que mover el sistema es de inmediato se va a asumir que el tiempo en que se demora en mover la piñonería es 0,5s
𝑃 = 𝑇 𝑡⁄ [4]
Donde:
P: es la potencia
T: 43.4 Nm
t: 0.5 s
𝑃 = 𝑇 𝑡⁄
𝑃 = 21.7 𝑁𝑚
0,5 𝑠
𝑃 = 43.4 𝑊 = 0.0582𝐻𝑃
Gracias a estos cálculos se determina que adquirir motores de 1 HP que son 0.7457 kilovatios son mucho más que suficientes para simular el banco, los motores adquiridos son de marca ABB como se observa en la figura 14 y presentan las características ilustradas en la tabla número 7, estos motores son trifásicos y reciben energía local de 220 V, adicionalmente se adquirió inversores que vendrían a ser variadores de frecuencia de la marca ABB de 1HP.
Tabla 7. Características de los motores adquiridos para el proyecto
V Hz rev/min KW Cos ϕ A
220-230 60 1705 0.7457 0.74 3.30
330 60 1705 0.7457 0.74 1.91
21 Figura 14. Motor eléctrico de 0,7457W o 1 HP
3.2.2 PREDISEÑO DEL BANCO METÁLICO
Se realizó el pre diseño del banco metálico como se ve en la figura 15, mediante este grafico se puede hacer una idea de dónde va a ir apoyada la transmisión híbrida mediante el programa Google Sketchup 8.
22 3.2.2 PROPIEDADES DEL ACERO SELECCIONADO
El acero seleccionado para la elaboración del banco metálico fue el ASTM A36 cuyas características se presentan en la tabla número 8.
Tabla 8. Propiedades mecánicas del acero ASTM A36
Límite de fluencia mínimo Resistencia a la Tracción
Mpa Psi Mpa Psi
Min Max Min Max
250 36000 400 550 58000 80000
(Hernández, 2017)
Tomando en cuenta las prestaciones de este tipo de acero se seleccionó para ser utilizado para toda la estructura del banco metálico.
Para la elaboración de la estructura metálica se seleccionó tubos cuadrados de (5.08 cm x 5.08 cm x 0,3 cm) como se observa en la figura 16
Figura 16. Tubos de acero
23 Figura 17. Plancha de acero
3.2.3 ANÁLISIS DEL BANCO EN EL PROGRAMA SOLIDWORKS
Mediante el programa Solidworks se realiza una simulación estática como se observa en la figura 18
Figura 18. Banco en el programa Solidworks
El programa proporciona información acerca de propiedades volumétricas de los componentes del banco que se aprecian en la tabla 9
Tabla 9. Propiedades volumétricas del banco de acero Cortar-Extruir1
Sólido
Masa:85.0649 kg Volumen:0.0108363 m^3
Densidad:7850 kg/m^3 Peso:833.636 N
Redondeo1
Sólido
Masa:12.4588 kg Volumen:0.0015871 m^3
Densidad:7850 kg/m^3 Peso:122.096 N
24 Tabla 10. Datos de propiedades mecánicas
Nombre: ASTM A36 Acero
Tipo de modelo: Isotrópico elástico
lineal Criterio de error
predeterminado:
Desconocido
Límite elástico: 2.5e+008 N/m^2
Límite de tracción: 4e+008 N/m^2
Módulo elástico: 2e+011 N/m^2
Coeficiente de Poisson:
0.26
Densidad: 7850 kg/m^3
Módulo cortante: 7.93e+010 N/m^2
Para la simulación del programa se le aplicaran las cargas que se detallan en la tabla 11, estas cargas son generadas debido al peso de sus elementos entre los elementos tenemos la caja donde se encuentra la transmisión y los 2 motores simuladores.
Tabla 11. Masas de los elementos del banco.
Elementos Masa
Caja Hibrida 79.1 Kg
Motor simulador 1 17 Kg
Motor simulador 2 17 Kg
Total 113.1 Kg
Gracias a este valor de masa se puede calcular el peso de todos los elementos dando como resultado 1108.53 N, en la tabla 12 se observa las cargas aplicadas al banco.
Tabla 12. Cargas aplicadas al banco metálico Nombre
de carga Cargar imagen Detalles de carga
Fuerza-1
Entidades: 1 cara(s)
Tipo: Aplicar fuerza
normal
Valor: 1108.53 N
25 Tabla 13. Fuerzas de reacción del banco metálico
Nombre de sujeción Imagen de sujeción Detalles de sujeción
Fijo-1
Entidades 4 cara(s)
Tipo: Geometría fija
Fuerzas resultantes
Componentes X Y Z Resultante
Fuerza de reacción(N) -0.0368288 1108.58 -0.099741 1108.58
Gracias a otra de las ventajas de Solidworks es que simula la deformación cuando las cargas son aplicadas, como se observa en la figura 19 la deformación en el punto más crítico es mínima.
Figura 19. Deformación del banco metálico
En el gráfico anterior muestra un punto con mucha más deformación aproximadamente de 1,080𝑋10−1𝑚𝑚, pero en ese punto no va a ser
sometido a ningún peso, ya que se hicieron esas perforaciones debido a que la coraza metálica de la caja tiene una arquitectura irregular, y en el área que se encuentra pintada de verde es donde si va a ir fijado el sistema.
26 puede observar que no existen puntos pintados de color rojo, el programa utiliza una escala mucho mayor para observar las cargas sobre el material y darnos una idea de cómo actúa el material con las diferentes cargas.
Figura 20. Deformación unitaria del banco metálico
Solidworks también cuenta con el factor de seguridad, el factor es 1, con esto se asegura que se está trabajando con la mayor seguridad de los componentes, la tabla 14 muestra en el gráfico que el banco se presenta de un color azul, lo que significa que toda la estructura tiene un factor de seguridad mayor a 1, cualquier punto que se encuentre por debajo del factor se pintaría de color rojo.
Tabla 14. Factor de seguridad del banco metálico
Nombre Tipo Mín. Máx.
Factor de seguridad1 Automático 40.3374
Nodo: 15262
80815.2 Nodo: 2955
27 3.2.4 DISEÑO DEL CONTROL ELECTRÓNICO DE LOS MOTORES
Para el control electrónico se realizaron varios diagramas para simular los diferentes casos teniendo en cuenta los escenarios para lograr una simulación lo más acercada a la real.
Para parking y neutro se tomó la condición de que el vehículo no se mueve, no hay energía mecánica transmitida a la piñonera que va engranada al eje de las ruedas, debido a que el MG2 está completamente detenido, se analiza el estado de la batería si la batería se encuentra descargada, se da la orden de encender el motor de combustión interna para que transmita energía mecánica al motor generador uno y este genere energía para cargar las baterías como se observa en la figura 21.
Figura 21. Diagrama de funcionamiento de parking y neutro
Para marcha o drive se tomó la condición de que se quiere mover el vehículo, por ende se da la orden de que gire el motor eléctrico 2 (MG2), mientras no se acelere y la batería esté cargada, el vehículo funcionará únicamente eléctricamente, si la batería se descarga o si se acelera se ordenará encender el motor de combustión interna MCI como se observa en la figura 22.
28 Para la marcha de reversa se tomó la condición de que el vehículo se quiere mover hacia atrás, se tiene en cuenta de que el motor de combustión interna solo se mueve en sentido horario, entonces el parámetro que se analiza es la batería, si no está cargada se manda a encender el motor de combustión interna con el único fin de cargar las baterías como se observa en la figura 23.
Figura 23. Diagrama de funcionamiento de retro
3.3 CONSTRUCCIÓN DEL BANCO METÁLICO Y MONTAJE DE
ELEMENTOS
Una vez que se realizó el diseño del banco didáctico, se procedió a la construcción de la estructura metálica que va a alojar todas las partes del sistema, se seleccionaron materiales robustos para la construcción del banco metálico, 2 motores ABB de 1 hp con sus respectivos variadores para el funcionamiento del mismo, y para el control se utilizó un LOGO como computadora.
29 Para la construcción del banco metálico se utilizaron los criterios ya analizados previamente en el diseño como el material y la forma de la estructura como se ve en la figura 24, el programa Solidworks proporciona el plano para la elaboración de las estructuras
Figura 24. Diseño estructural del banco metálico
Debido a la arquitectura de la coraza de la transmisión y el mejor asentamiento de la misma, se diseñaron las respectivas perforaciones en la plancha de acero que aloja a la transmisión híbrida como se observa en la figura 25, pero el diseño va a variar al momento de montar la transmisión y cortar únicamente lo necesario.
30 Las medidas de la estructura y de la plancha se encuentran detalladas en los planos de los anexos 4 y 5 respectivamente.
Una vez conocidas las medidas se empezó aserrando los tubos de acero, para de esta manera tengan las medidas necesarias para la elaboración del banco como se observa en la figura 26.
Figura 26. Acerrado de tubos de acero
Posteriormente se procedió a soldar la estructura con la ayuda de la suelda eléctrica, inicialmente se empezó soldando la parte lateral de la mesa primero se hizo la estructura en forma de H, Consecutivamente se finalizaron las estructuras laterales completando las figuras en forma de A.
Una vez que se tenía las estructuras en forma de A se procedió a soldar los otros tubos con la finalidad de que se genere una estructura en forma de mesa como se observa en la figura 27, por último se procedió a soldar la plancha en la parte superior.
31 Una vez ya soldada la plancha como se observa en la figura 28 se procedió a realizar las perforaciones, se tuvo en cuenta la forma en que se iba a fijar la transmisión a la plancha y se procedió a realizar las perforaciones, debido a la arquitectura de la coraza y también para fijar a la transmisión con ayuda de pernos.
Figura 28. Banco metálico soldado. 3.3.2 MONTAJE DE ELEMENTOS
Para el montaje de los elementos, se inició montando la transmisión, en la figura se puede observar la ventaja de haber realizado los cortes gracias a su perfecta fijación sobre el banco como se observa en las figuras 29 y 30.
32 Figura 30. Fijado del banco a través de pernos
Posteriormente se soldaron estructuras con la altura necesaria para poder montar los motores para que los ejes queden nivelados a la altura de los ejes de la transmisión como se observa en la figura 31.
Figura 31. Estructuras para montaje de motores simuladores
3.3.3 CONSTRUCIÓN DEL CONTROL
33 Figura 32. Montaje de componentes electrónicos al fondo del tablero.
El sistema de control está dirigido por una computadora principal llamada LOGO como se observa en la figura 33, es un controlador lógico programable que se observa en la figura, está encargado de gobernar en base a la programación cargada a su memoria las funciones de los variadores de velocidad, que vendrían a ser los inversores y en este caso son tomados como actuadores, tomando en cuenta las diferentes señales u órdenes que recibe del mando del operador.
34 Considerando aspectos como la complejidad de operaciones a ejecutar, capacidad de expansión de entradas y salidas, velocidad de procesamiento, extensión de programa, entre otros se decidió utilizar un LOGO como computadora principal marca SIEMENS.
El LOGO consta básicamente de la CPU, módulos de entradas y salidas (I/Q) y canales de comunicación, además se utilizó una expansión de salidas analógicas como se observa en la figura 34 necesarias para el control de los variadores.
Figura 34. LOGO y expansión de analógicas Las entradas que van a LOGO son:
- I1: ON
- I2: MARCHA - I3: REVERSA - I4: BATERIA
Las salidas son:
- Q1: MARCHA - Q2: REVERSA
- Q3: MOTOR DE COMBUSTION
Las salidas análogas son:
- AQW1: Velocidad variador 1 - AQW2: Velocidad variador 2
35 Adicional a esto se instaló una fuente de alimentación de 24 VDC esta tiene como trabajo energizar de forma continua la corriente que necesita el LOGO, y se instaló 3 brakers para la seguridad del sistema.
Una vez conectado todo el sistema, se procedió a cargar el programa de control que se puede observar en el anexo 6, por medio de cable de datos para que se aloje en la memoria del logo como se ve en la figura 35.
Figura 35. Programa LOGO!SoftComfort.
3.4 IMPLEMENTACIÓN Y PRUEBAS
Una vez construido el banco didáctico se procedió con la implementación y la puesta a punto, para lo cual se conectó el sistema a una corriente alterna local de 220v, una vez que el banco trabajó se realizaron pruebas para comprobar el correcto funcionamiento del sistema con el fin de encontrar errores para corregirlos.
3.4.1 PRUEBA EN ON, POSICIÓN EN PARKING CON LA BATERIA DESCARGADA
36 Tabla 15. Voltaje obtenido de simulación en parking
Voltaje obtenido del motor generador a bajas revoluciones
Fase Carga en V AC
A/B 6,7 a 6,9
B/C 6,7 a 6,9
A/C 6,7 a 6,9
Voltaje obtenido del motor generador a revoluciones medias-bajas
Fase Carga en Voltios AC
A/B 35,1 a 35,3
B/C 35,1 a 35,3
A/C 35,1 a 35,3
Voltaje obtenido del motor generador a revoluciones medias
Fase Carga en Voltios AC
A/B 54 a 61
B/C 54 a 61
A/C 54 a 61
Voltaje obtenido del motor generador a revoluciones medias-altas
Fase Carga en Voltios AC
A/B 83 a 85
B/C 83 a 85
A/C 83 a 85
37 3.4.2 PRUEBA EN ON, POSICIÓN EN DRIVE CON LA BATERIA
CARGADA SIN ACELERAR
La prueba fue realizada en modo drive o marcha, indicando que la batería se encontraba cargada y sin acelerar como se observa en la figura 37.
Figura 37. Selección marcha, batería cargada y bajas revoluciones.
En este caso, si fuera un vehículo real el motor generador 2 se encarga de generar el movimiento a las ruedas, el motor de combustión interna se encuentra apagado así que no se mueve y el movimiento es transmitido al motor generador 1, debido a que las baterías están entregando energía al MG2 para su movimiento es imposible que el MG1 cargue las baterías también, así que el MG1 gira en vacío sin generar energía para cargar las baterías.
Desafortunadamente en el simulador el motor que representa al motor de combustión interna no se mantiene frenado, y además presenta menor resistencia al movimiento que el motor generador 1, debido a esto se necesita frenar el motor simulador del MCI para que el movimiento se transmita al MG1.
Gracias a que éste es un simulador y se utiliza la energía proveniente de las instalaciones eléctricas y no se cuenta con una batería, el motor generador 1 no gira en vacío y produce energía.
Igual se midió el voltaje que genera y está presente en la tabla 16.
Tabla 16. Voltaje obtenido del motor generador a bajas revoluciones producidas por el MG2
Fase Carga en Voltios AC
A/B 6,9 a 7,3
B/C 6,9 a 7,3
38 3.4.3 PRUEBA EN ON, POSICIÓN EN DRIVE CON LA BATERIA
CARGADA O DESCARGADA ACELERANDO.
En esta prueba se ponen a trabajar tanto el MG2 como el motor de combustión interna, debido a que se simula que el conductor está acelerando como se observa en la figura 38, al momento en que el motor de combustión interna gira y el motor generador también, se genera energía eléctrica en el MG1, para posteriormente ser aprovechada para cargar las baterías.
Figura 38. Posición en marcha y acelerando.
Los datos obtenidos cuando el MCI empezó a girar se presentan en las siguientes tablas:
Cuando inicia el MCI a moverse mientras el MG2 ya tiene ciertas revoluciones se observa en la tabla 17.
Tabla 17. Voltaje en marcha cuando inicia el MCI a moverse.
Fase Carga en Voltios AC
A/B 46,5 a 46,9
B/C 46,5 a 46,9
A/C 46,5 a 46,9
Cuando se tiene altas revoluciones de ambos motores se aprecia en la tabla 18.
Tabla 18. Voltaje del MG2 y el MCI en altas revoluciones.
Fase Carga en Voltios AC
A/B 110 a 113
B/C 110 a 113
39 3.4.4 PRUEBA EN ON, POSICIÓN EN DRIBE CON LA BATERIA
DESCARGADA SIN ACELERAR
La prueba fue realizada en modo drive o marcha, indicando que la batería se encontraba descargada y sin acelerar, el motor que simula al motor de combustión interna se encendió y giraba a bajas revoluciones mientras el MG2 ya estaba en movimiento también a bajas revoluciones y se transmitió el movimiento al MG1 y generó energía para cargar las baterías como se muestra en la tabla 19.
Tabla 19. Voltaje en drive, batería descargada sin acelerar.
Fase Carga en Voltios AC
A/B 17,3 a 17,5
B/C 17,3 a 17,5
A/C 17,3 a 17,5
3.4.5 PRUEBA EN ON, POSICIÓN EN REVERSE O RETRO CON LA BATERIA CARGADA SIN ACELERAR
Este caso se selecciona en reversa, batería cargada sin acelerar como se observa en la figura 39 es similar al proceso 3.5.2 debido a que en el sistema real, el motor de combustión interna no gira en sentido contrario, así que permanece inmóvil mientras que el motor generador 2 invierte su giro para ir en reversa transmitiendo el movimiento al mg1 que gira en vacío.
Figura 39. Selección reversa, batería cargada y acelerando.
40 Tabla 20. Voltaje en reversa, batería cargada y bajas revoluciones.
Fase Carga en Voltios AC
A/B 6,7 a 7,1
B/C 6,7 a 7,1
A/C 6,7 a 7,1
3.4.6 PRUEBA EN ON, POSICIÓN EN REVERSE O RETRO CON LA BATERIA DESCARGADA SIN ACELERAR
En esta prueba se observó que mientras el MG2 se encontraba girando en sentido contrario, el MCI giró en el mismo sentido, haciendo girar al MG1 y éste produce la energía para cargar las baterías, el voltaje se aprecia en la tabla 21.
Tabla 21. Voltaje en reversa, batería descargada sin acelerar
Fase Carga en Voltios AC
A/B 7,2 a 7,6
B/C 7,2 a 7,6
A/C 7,2 a 7,6
3.4.7 PRUEBA EN ON, POSICIÓN EN REVERSE O RETRO CON BATERIA CARGADA O DESCARGADA ACELERANDO
Se seleccionó las posiciones de reversa, con batería cargada y acelerando como se observa en la figura 40, En el sistema real, el motor generador 2 consume mucha más energía cuando el conductor lo exige mientras está acelerando, debido a que el motor de combustión interna no puede girar al lado contrario no aporta con su potencia al giro de la piñonería que va a las ruedas, pero aporta dando energía mecánica al motor generador uno para cargar las baterías y que estas tengan gran cantidad de energía para ser consumida por el movimiento del motor generador 2, gracias a esto se concluye que unicamente cuando el vehículo va de frente se puede combinar el par del motor de combustión interna y el motor generador 2
41 Se midió la energía generada por el MG1 y se puede observar en la tabla 22.
Tabla 22. Voltaje en reversa acelerando
Fase Carga en Voltios AC
A/B 59 a 63
B/C 59 a 63
42
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
4.1 CONCLUSIONES
Gracias a la investigación exhaustiva, al análisis y a la evaluación de los elementos de la transmisión híbrida serie y paralela, se determinó que el sistema que permite acoplar los motores para el funcionamiento es el sistema de engranajes epicicloidales, este sistema no permite la salida del motor de combustión interna directamente a las ruedas, sino que permite la combinación de potencias entre el motor generador 2 y el motor de combustión interna para su funcionamiento en paralelo y a la vez funciona en serie ya que el mismo movimiento del motor de combustión interna mueve el motor generador uno cargando las baterías.
La utilización del software Solidworks, permitió el análisis de la estructura metálica que soportaría todos los elementos, dando como resultado que la selección del material es adecuada, también se hicieron cálculos para saber cuánta potencia necesita la transmisión para moverse dando como resultado 43,4w, y se realizó el diseño que representaría los escenarios que el operador del banco puede seleccionar para simular.
La construcción del banco metálico se dio según las medidas y el material previamente analizado, se montaron los elementos y se realizó el control electrónico de las funciones por medio de un LOGO que vendría a ser la computadora que controla todo el sistema.
43
4.2 RECOMENDACIONES
Se recomienda que no se hagan modificaciones al control que opera en este sistema, y de ser necesario realizar cualquier cambio, sería conveniente que se revise previamente el manual del variador, a fin de no ocasionar daños al sistema. También se debe procurar en este caso, contar con la asesoría de un Ingeniero Electrónico.
Es necesario que previo a la utilización del banco, siempre se revise el acople que va al sistema de engranajes epicicloidales, dado que aunque el motor simulador del motor generador 2 se encuentre detenido se mantiene enviando corriente, lo que puede provocar que se queme el motor o variador de frecuencia.
Cada vez que se simule un movimiento se deben ajustar los prisioneros que se encuentran en los acoples entre el sistema de transmisión y los motores eléctricos, así como también se debe evitar el movimiento cuando estos no se encuentren ajustados correctamente.
44
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46
6. ANEXOS
Anexo 1.
Preforma del costo de la transmisión del vehículo Ford
Escape Híbrido nueva.
PROFORMA
N° 0000002
CLIENTE: VINICIO DAMIAN
FECHA: 07-jun-16
TELEFONO:
MODELO: ESCAPE 2010 VALIDEZ 8 DIAS
CANT CODIGO DESCRIPCION
VALOR
UNT ALT DISPONIBILIDAD
VALOR TOTAL
CAJA DE CAMBIOS
AUTOMATICA 20286,70
0,00 NOTA:
SUB TOTAL 20286,70
DCTO 0% 0,00
JEFFERSON PAUCAR SUB TOTAL 20286,70
Asesor de
Ventas Repuestos IVA 14% 2840,14
47
Anexo 2.
48
Anexo 3.
49
Anexo 4.
50
Anexo 5.
51
