UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE BANCO
DIDÁCTICO DEL SISTEMA DE AIRBAG
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
FÉLIX DAVID TANDAYAMO FALCÓN
DIRECTOR: ING. MILTON REVELO
DECLARACIÓN
Yo FÉLIX DAVID TANDAYAMO FALCÓN, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_________________________ Félix David Tandayamo Falcón
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño y construcción de un prototipo de banco didáctico para el sistema de airbag”, que, para aspirar al título de Ingeniero Automotriz fue
desarrollado por Félix David Tandayamo Falcón, bajo mi dirección y
supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.
___________________
Ing. Milton Revelo DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
Con profundo amor, afecto y gratitud, el presente trabajo de titulación y en si todo el sacrificio y esfuerzo puesto en este proyecto, se lo dedico a mis padres Leonila e Isidro; quienes han sido el pilar y la fuente que me ha impulsado a iniciar un proceso educativo lleno de esperanza, metas e
ilusiones. También mi dedicatoria especial para esa persona que me cuida, aconseja y guía siempre que se ha convertido en más que una
AGRADECIMIENTO
A Dios por haberme dado la vida y la oportunidad de culminar con mis metas propuestas, por haberme facilitado el conocimiento, salud y perseverancia para seguir adelante en los momentos más difíciles, por haber sido mi alimento espiritual y el motor que me ha impulsado a lograr esta meta profesional y personal.
De manera muy especial expreso mi más profundo agradecimiento al Ing. Milton Revelo, Director del presente trabajo de titulación quien con su predisposición, amabilidad, sin escatimar tiempo y esfuerzo ha proporcionado su incondicional colaboración en la elaboración de este proyecto, aportando con sus valiosos conocimientos profesionales y académicos.
A la Universidad Tecnológica Equinoccial, por haberme dado la oportunidad de educarme y formarme profesionalmente en sus aulas y talleres, me quedo inmensamente agradecido por todos los conocimientos recibidos durante esta etapa estudiantil.
De manera general a todas las personas, amigos y compañeros que contribuyeron en mi formación humana, académica y profesional y que a su vez colaboraron desinteresadamente en ciertos aspectos para la elaboración del presente trabajo de titulación.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN xiii
ABSTRACT xv
1.- INTRODUCCIÓN 1
2.- MARCO TEÓRICO 7
2.1.- GENERALIDADES, HISTORIA DE LA MOVILIDAD Y EL
AUTOMÓVIL 7
2.2.1.- EL AUTOMÓVIL 8
2.1.2.- IMPORTANCIA DE LA SEGURIDAD EN EL
AUTOMÓVIL 8
2.1.3.- LA EVOLUCIÓN DE LA SEGURIDAD EN EL
AUTOMÓVIL 9
2.2.- SISTEMAS DE SEGURIDAD EN EL VEHÍCULO 10
2.2.1.- SEGURIDAD ACTIVA 10
2.2.1.1.- El sistema de frenado 11
2.2.1.2.- El sistema de dirección 13
2.2.1.3.- Los neumáticos y su adherencia al suelo 16
2.2.1.4.- La iluminación 16
2.2.1.5.- Sistemas de control de estabilidad 17
2.2.2.- SEGURIDAD PASIVA 19
ii PÁGINA
2.2.2.2.- Chasis y carrocería 21
2.2.2.3.- Cristales 22
2.2.2.4.- Reposacabezas 23
2.2.2.5.- Los Airbags 24
2.3.- INTRODUCCIÓN AL SISTEMA DE AIRBAG,
CLASIFICACIÓN Y ELEMENTOS 25
2.3.1.- ANTECEDENTES 25
2.3.1.1.- Historia y desarrollo 25
2.3.1.2.- Definición del airbag 26
2.3.2.- FUNCIONAMIENTO DEL AIRBAG 27
2.3.2.1.- Tiempos de activación 28
2.3.3.- ESTRUCTURA DEL SISTEMA DEL AIRBAG 29
2.3.3.1.- Unidad de control 29
2.3.3.2.- Sensor de impacto 30
2.3.3.3.- Arnés de cables 31
2.3.3.4.- Bolsa Inflable 32
2.3.3.5.- Contactor espiral 34
2.3.3.6.- Generador de gas 34
2.3.3.7.- Detonador 35
2.3.3.8.- Propulsor sólido 36
2.3.3.9.- Cubierta protectora 36
2.3.3.10.- Testigo de averías 37
2.3.4.- TIPOS DE AIRBAGS 38
2.3.4.1.- Airbag frontal 38
2.3.4.2.- Airbag lateral 39
iii PÁGINA
2.3.4.4.- Airbag de rodilla 41
2.3.4.5.- Airbag posterior 41
2.3.4.6.- Airbag central 42
2.3.4.7.- Airbag de cinturón de seguridad 42
2.3.4.8.- Airbag para peatones 43
2.3.5.- FUENTE DE ENERGÍA PROVISIONAL EN CASO
DE EMERGENCIAS 44
2.3.6.- DESCONEXIÓN DEL AIRBAG 44
2.4.- EL BANCO DIDÁCTICO 45
2.4.1.- GENERALIDADES DEL BANCO DIDÁCTICO 45
2.4.2.- IMPORTANCIA DEL BANCO DIDÁCTICO 46
2.4.3.- CLASIFICACIÓN DE LOS BANCOS DIDÁCTICOS 46
2.4.4.- EL BANCO DIDÁCTICO Y LA EDUCACIÓN 47
2.5.- HERRAMIENTAS Y CONOCIMIENTOS
CONSTRUCTIVOS PREVIOS AL BANCO DIDÁCTICO 47
2.5.1.- DEFINICIÓN DE DISEÑO MECÁNICO 47
2.5.2.- SOFTWARE DE DISEÑO MECÁNICO 48
2.5.2.1.- SolidWorks 48
2.5.2.2.- AutoCAD 49
2.5.3.- CONSTRUCCIONES MECÁNICAS 50
2.5.3.1.- Materiales en el diseño mecánico 50
2.5.3.2.- Soldadura a utilizarse en el banco didáctico 51
3.- METODOLOGÍA 53
3.1.- INTRODUCCIÓN 53
iv PÁGINA AIRBAG
3.2.1.- ESQUEMA DE CONSTRUCCIÓN DEL BANCO
DIDÁCTICO 54
3.2.1.1.- Bastidor del prototipo 54
3.2.1.2.- Estructura frontal completa 54
3.2.1.3.- Procesos de soldadura 55
3.2.1.4.- Procesos de acoplamiento de sistemas y
elementos 55
3.2.1.5.- Acabados finales 55
3.2.1.6.- Sistema de control electrónico 56
3.2.1.7.- Sistema de inflado 57
4.- ANÁLISIS DE RESULTADOS 58
4.1.- ANÁLISIS PREVIOS 58
4.2.- CONSTRUCCIÓN DEL BANCO DIDÁCTICO DEL
SISTEMA DE AIRBAG 58
4.2.1.- INTRODUCCIÓN 59
4.2.2.- DISEÑO DE LA ESTRUCTURA PRINCIPAL O
BASTIDOR 59
4.2.3.- DISEÑO DE LA PARTE FRONTAL COMPLETA
DEL BANCO SIMULADOR DE AIRBAG 61
4.2.3.1.- Selección del material 61
4.2.3.2.- Selección del tipo de soldadura 67
4.2.3.3.- Resistencia de la estructura o bastidor 68
4.2.3.4.- Simulación de deformación unitaria y factores
de seguridad en la plataforma SolidWorks 71
4.2.4.- ESTRUCTURA FINAL DEL SIMULADOR DEL
v PÁGINA
4.2.4.1.- Acabado final 73
4.2.4.2.- Proceso de pintura 73
4.2.4.3.- Presentación final 74
4.2.5.- ANÁLISIS DESCRIPTIVO Y DE COSTOS DEL
BASTIDOR 75
4.2.6.- DISEÑO ELECTRÓNICO 76
4.2.7.- PARÁMETRO Y SEÑALES PARA LA
CONSTRUCCIÓN 77
4.2.8.- DIAGRAMA DE ENTRADA/SALIDA DE LAS
SEÑALES 77
4.2.9.- CONEXIONES ELÉCTRICAS 78
4.2.10.- SELECCIÓN DE ELEMENTOS ELÉCTRICOS Y
ELECTRÓNICOS 80
4.2.10.1.- Selección del microcontrolador 80
4.2.10.2.- Selección del accionamiento 81
4.2.10.3.- Selección del display de pantalla 82
4.2.10.4.- Selección del relé 83
4.2.10.5.- Selección del transistor 84
4.2.10.6.- Selección del sensor para el accionamiento
automático del airbag del ocupante 85
4.2.11.- DISEÑO DEL CIRCUITO ELECTRÓNICO 86
4.2.11.1.- Montaje y acoplamiento de la gestión
electrónica 87
4.2.12.- SELECCIÓN DEL GRUPO DE INFLADO Y
ABSORCIÓN 89
4.2.12.1.- Compresor 89
4.2.13.- SISTEMA DE Y PROCESO DE INFLADO 92
vi PÁGINA 4.3.- PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO Y MANUAL DE USO
DEL BANCO DIDÁCTICO 96
4.3.1.- DESCRIPCIÓN DE PARTES Y FUNCIONAMIENTO
DEL BANCO DIDÁCTICO DEL SISTEMA DE AIRBAG 96
4.3.1.1.- Panel de funcionamiento 97
4.3.1.2.- Pulsador de inflado 97
4.3.1.3.- Testigo de funcionamiento 98
4.3.1.4.- Pantalla de información de procesos 98
4.3.1.5.- Compresor 98
4.3.1.6.- Accionamiento del compresor 99
4.3.1.7.- Medidor de presión de aire comprimido 100
4.3.1.8.- Sensores de peso 100
4.4.- MANUAL DE FUNCIONAMIENTO 101
4.4.1.- CONEXIONES ELÉCTRICAS 101
4.4.2.- ENCENDIDO DEL BANCO DIDÁCTICO DEL
SISTEMA DE AIRBAG 103
4.4.3.- COMPROBACIÓN DE MEDIDORES 103
4.4.4.- PULSADORES DE ACCIONAMIENTO 104
4.4.5.- PANTALLA DE INFORMACIÓN 105
4.4.6.- PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO 105
4.4.7.- ANÁLISIS DE RESULTADOS 106
5.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 109
vii PÁGINA
7.- BIBLIOGRAFÍA 113
viii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA Tabla 1. Especificaciones del acero utilizado 62
Tabla 2. Amperajes de soldadura según el grosor del material 67
Tabla 3. Tabla de datos para resolución de la deformación del
bastidor del banco didáctico 69
Tabla 4. Valores de Pm,n y Wm,n para carga uniforme 70
Tabla 5. Valores de la flecha para carga uniforme 71
Tabla 6. Análisis de costos por elementos 75
Tabla 7. Diagrama de Entrada/Salida de señales 77
Tabla 8. Especificaciones del cable de cobre utilizado 79
Tabla 9. Especificaciones del microcontrolador utilizado 80
Tabla 10. Especificaciones del pulsador luminoso utilizado 81
Tabla 11. Especificaciones de la pantalla display utilizada 82
Tabla 12. Especificaciones de los relevadores utilizados 83
Tabla 13. Especificaciones del transistor utilizado 84
Tabla 14. Especificaciones de los sensores de peso utilizados 85
Tabla 15. Especificaciones del compresor utilizado 89
Tabla 16. Especificaciones de la electroválvula utilizada 91
Tabla 17. Especificaciones técnicas de las bolsas de aire 93
ix
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA Figura 1. Esquema de fuerzas que actúan sobre un vehículo 11
Figura 2. Componentes del freno ABS 12
Figura 3. Sistema de freno automático 13
Figura 4. Sistema de dirección mecánica por cremallera 14
Figura 5. Sistema de dirección hidráulica 15
Figura 6. Sistema de dirección electrónica 15
Figura 7. Fuerzas que actúan y deforman el neumático 16
Figura 8. Sistema de iluminación inteligente en los vehículos 17
Figura 9. Elementos del sistema de control electrónico de
estabilidad 18
Figura 10. Diferencias entre vehículos con y sin ESP 19
Figura 11. Cinturones de seguridad en asientos delanteros 20
Figura 12. Carrocería deformable del vehículo Volvo V40 21
Figura 13. Fragmentación de un cristal templado y no templado 23
Figura 14. Funcionamiento del apoyacabezas en caso de colisiones 24
Figura 15. Componentes y ubicación del sistema de airbag 26
Figura 16. Proceso de Inflado del airbag 27
Figura 17. Tiempos de activación del sistema de airbag 28
Figura 18. Diagrama de mando para los airbag frontal y lateral 30
Figura 19. Sensor de impacto del sistema de airbag 31
Figura 20. Cableado completo del sistema de airbag 32
Figura 21. Bolsas inflables frontales 33
Figura 22. Contactor espiral del volante de la dirección 34
Figura 23. Unidad generadora de gas 35
Figura 24. Detonador del combustible sólido del sistema de airbag. 35
Figura 25. Pastillas de combustible sólido (azida sódica) 36
Figura 26. Cubiertas plásticas sistema del airbag 37
Figura 27. Testigo de funcionamiento del sistema del airbag 37
Figura 28. Airbag frontales del Lexus RX 38
Figura 29. Airbag lateral solo tórax 39
x
Figura 31. Airbag de cortina 40
Figura 32. Airbag de rodillas 41
Figura 33. Airbag para impactos posteriores 41
Figura 34. Airbag lateral Chevrolet Traverse 42
Figura 35. Airbag en el cinturón de seguridad fabricado por Ford 43
Figura 36. Airbag para peatones activándose en el Volvo V40 43
Figura 37. Interruptor de desconexión del airbag para el
acompañante 45
Figura 38. Pantalla de Inicio del programa SolidWorks 49
Figura 39. Pantalla de Inicio del programa AutoCAD 50
Figura 40. Partes esquemáticas de la soldadura por electrodo o
SMAW 52
Figura 41. Ejemplo de chasis o bastidor 60
Figura 42. Dimensiones Chevrolet Aveo Family 61
Figura 43. Elementos del bastidor con las dimensiones deseadas 62
Figura 44. Estructura del bastidor con su respectivo piso 63
Figura 45. Fijaciones para los elementos varios como:
guardachoque, guardafangos y capot 64
Figura 46. Montaje y fijación completa del guardachoque delantero 64
Figura 47. Montaje y fijación completa de los guardafangos 65
Figura 48. Elementos para la fijación y movimiento del capot 66
Figura 49. Montaje y fijación completa del capot 66
Figura 50. Fijación completa del tablero de accionamiento 67
Figura 51. Cordones de soldadura metálica tipo SMAW 68
Figura 52. Deformación máxima de una placa con carga uniforme 69
Figura 53. Deformación unitaria obtenida en el programa SolidWorks 72
Figura 54. Materiales de pintura escogidos previamente 73
Figura 55. Proceso de pintura del banco didáctico 74
Figura 56. Presentación final del banco didáctico 74
Figura 57. Pantalla de inicio software Crocodile Clips en su versión
3.5 76
Figura 58. Microcontrolador y diversos componentes electrónicos 81
Figura 59. Interruptor del tipo pulsador luminoso 82
Figura 60. Ejemplo de pantalla LCD o display 83
xi
Figura 62. Ejemplo de transistor 85
Figura 63. Ejemplo de sensor de fuerza resistivo 86
Figura 64. Pruebas de funcionamiento de la gestión electrónica 87
Figura 65. Montaje de la pantalla display en el tablero de
accionamiento 88
Figura 66. Montaje de todos los accionamientos y pulsadores de
accionamiento del banco didáctico 88
Figura 67. Compresor de aire marca Porten, modelo PCO-0224 90
Figura 68. Diagrama y funcionamiento de la válvula neumática de
5/2 vías 92
Figura 69. Medición para el posicionamiento del asiento del
conductor 95
Figura 70. Medición para el posicionamiento del asiento del pasajero 96
Figura 71. Pulsador de Accionamiento 97
Figura 72. Testigo luminoso del tipo led en el tablero de
accionamiento 98
Figura 73. Compresor de aire implementado para el inflado del
sistema de airbag 99
Figura 74. Válvula de inflado directo de las bolsas de aire 99
Figura 75. Medidor de presión de aire del sistema neumático 100
Figura 76. Ubicación de los sensores de peso antes de ser
colocados en el interior de los asientos 101
Figura 77. Transformador de 110 V a 24 V 102
Figura 78. Interruptor de encendido del sistema 103
Figura 79. Medidor de presión a 120 psi 104
Figura 80. Luz de aviso de activación encendida 104
Figura 81. Pantalla de calibración para tiempo y peso 105
Figura 82. Bolsas de aire inflándose 106
xii
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA ANEXO 1
Manual de usuario del banco didáctico del sistema de airbag
117
ANEXO 2
Guía de prácticas del banco didáctico del sistema de airbag
130
ANEXO 3
Diseño y diagrama electrónico completo en el programa PROTEUS 8
140
ANEXO 4
Lenguaje de programación de la gestión electrónica utilizando en el programa BASCOM AVR
141
ANEXO 5
Circuito neumático del sistema en el programa FluidDraw
146
ANEXO 6
Informe de simulación del bastidor en SolidWorks
147
ANEXO 7
Diseño del bastidor en AutoCAD en varias vistas
xiii
RESUMEN
xiv voltios que vino a ser el voltaje de activación de la respectiva electroválvula neumática y de todos los elementos electrónicos. Para el tiempo de inflado de las bolsas de aire se calculó el mismo a partir del caudal que brindó el compresor en las respectivas pruebas y el mismo quedó promediado en veinte segundos con la respectiva calibración mediante un potenciómetro dentro de la unidad de control. Para toda la gestión electrónica y de activación del sistema de inflado se obtuvo la resistencia eléctrica que circula
por los conductores que bordea los 261 kiloohmios (kΩ) que fue la
xv
ABSTRACT
1
1.- INTRODUCCIÓN
La premisa actual en cuanto a la construcción de vehículos es la seguridad para el conductor y todos los pasajeros que viajen dentro automotor. Es ahí donde surgen todos los sistemas de seguridad activa y pasiva que ayudan considerablemente a la reducción de víctimas mortales en accidentes de tránsito. Históricamente los elementos de seguridad vehicular han evolucionado y ajustado a las demandas cada vez más estrictas del mercado en cuanto a reducción en los índices de morbilidad y mortalidad en accidentes de tráfico.
Desde la aparición del cinturón de seguridad en 1940, diseñado y patentado por varios constructores automotrices, los sistemas de protección han innovado su funcionamiento para aumentar su eficacia considerablemente, es donde nace en los años de 1980 como sistema auxiliar de seguridad las bolsas de aire o airbag. Este elemento antes citado trabaja complementariamente al cinturón de seguridad en la reducción de las fuerzas resultantes de un impacto en amplio espectro de velocidades.
Calvo & Miravete (2000) afirman que: “El airbag parte de un concepto que tiene una historia de hace más de 40 años. Fue en 1951 cuando Walter Linderer patentó un invento que en esencia era lo que hoy conocemos como airbag: deposito inflable plegado que, en caso de peligro, se infla automáticamente o por activación provocada, de modo que, al producirse un choque, la persona en cuestión sea lanzada contra ese depósito elástico y no sufra lesión alguna” (p. 214).
2 para la firma Chrysler en 1967. Pero de manera oficial la primera bolsa de aire de serie estuvo a bordo de un Mercedes-Benz en 1981.
En cuanto al funcionamiento desde sus inicios ha sido un complejo sistema interrelacionado entre cuatro elementos básicos: sensores, una unidad de control, el mecanismo pirotécnico y la bolsa de aire en sí. En primer lugar los sensores envían una señal a la unidad de control como consecuencia de una colisión o accidente. La unidad central de control procesa la información de los sensores y envía una señal eléctrica que dispara el mecanismo pirotécnico de inflado del airbag. Para inflarlo se emplean unas pastillas de combustible sólido que en la mayoría de casos es azida sódica, esta señal eléctrica recibida hace que explote este combustible generando un gas
(nitrógeno) que queda contenido dentro de la bolsa de aire. “El airbag evita
que el conductor colisiones contra el volante. A continuación el gas se escapa a través de unos filtros dispuestos en la bolsa desinflándola. La duración de inflado es de aproximadamente 50 milisegundos.” (Águeda & García, 2010, p. 387).
Pero este sistema de seguridad no ha quedado fuera de las mejoras tecnológicas, razón por la cual se tiene en la actualidad las bolsas de aire de última generación que trabajan mediante sensores cada vez más precisos y completos muchos de estos miden características de los ocupantes, como estatura y peso para tener una activación correcta para cada situación. Los modelos de vehículos recientes cuentan con 10, 12 o más bolsas de aire, porque donde el fabricante cree conveniente su colocación para la reducción de impactos estos deberán estar instalados, se ha llegado hasta el punto de colocar airbag en parabrisas de vehículos para reducir los daños ocasionados a peatones en atropellamientos.
3 combustible sólido solo permite una detonación, lo que con la presión de aire alimentada por un compresor eléctrico se tiene la ventaja de inflar las veces que la carga de tanque reserva lo permita.
La simulación se ayudará con un control electrónico para el accionamiento de una válvula electroneumática de 5/2 vías, se utilizará este tipo de elemento de distribución para facilitar el inflado de la bolsa de aire del conductor y pasajeros de forma independiente así como su respectivo desinflado. El prototipo según ideas iniciales vendrá en la estructura similar a la parte delantera del automóvil para mayor practicidad y una enseñanza real del funcionamiento del sistema no en los tiempos reales, pero sin en intervalos que se reconozca todo el proceso de activación del airbag.
La justificación del presente proyecto radica en que una correcta educación se basa en la unión de diversos aspectos entre ellos: el fundamento teórico y su respectiva aplicación práctica, es por este último que aparecen los bancos didácticos de diferentes sistemas para la enseñanza focalizada en carreras técnicas. Razón por la cual se propone un banco didáctico del sistema de Airbag que simule su activación para el aprendizaje completo de las partes y su funcionalidad, para futuras reparaciones o recambios los profesionales sepan cómo actuar específicamente en cada falla que presente dicho sistema. Para esto se propone un banco didáctico de accionamiento electroneumático con control electrónico para el inflado y desactivación de las respectivas bolsas de aire, todo esto dentro de una estructura similar al habitáculo del vehículo en su parte frontal, todo esto con el fin de tener un sistema lo más explicativo y didáctico posible para un fácil y correcto aprendizaje.
4 es factible gracias a la utilización de aire comprimido para el inflado de las bolsas de aire, el control de este proceso debe ser coordinado electrónicamente y la distribución es comandada por una válvula neumática dirigida por la unidad de control en cuanto al banco didáctico del va encaminado a realizar las actividades de un simulador que permitirá reconocer todos los elementos del sistema tales como: la bolsa inflable, fulminante, unidad electrónica, testigo luminoso de accionamiento en el tablero, entre otras. El funcionamiento real dentro del automóvil es en fracciones de segundo para evitar el contacto inmediato del conductor o acompañantes con las partes sólidas del habitáculo interno del vehículo, es por eso que para simular este proceso se utilizará un sistema electro neumático, es decir, un compresor de accionamiento eléctrico para la generación de aire para inflado en las bolsas de aire, todo esto comandado por un control electrónico de fácil manejo, todo este sistema vendrá instalado en una estructura semejante a la parte delantera de un automóvil liviano. Finalmente el objetivo para el que está destinado este banco didáctico es para la enseñanza focalizada y correcta de sistema de seguridad pasiva airbag en estudiantes en las diferentes cátedras de la carrera de Ingeniería Automotriz.
6
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Diseñar y construir un prototipo de banco didáctico del sistema de airbag mediante un control electroneumático de inflado para la enseñanza focalizada de este sistema de seguridad pasiva en alumnos de la carrera de Ingeniería Automotriz.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Diseñar mediante programas especializados la estructura metálica
principal de soporte, los circuitos eléctricos, electrónicos y neumáticos.
Determinar todos los elementos y procesos necesarios para la
construcción óptima del banco didáctico.
Realizar todas las pruebas de funcionamiento necesarias para la
emisión correcta de resultados.
Elaborar los respectivos manuales tales como: manual de usuario,
7
2.- MARCO TEÓRICO
2.1.- GENERALIDADES, HISTORIA DE LA MOVILIDAD Y EL
AUTOMÓVIL
Desde tiempos inmemoriales las personas se han desplazado, primero a pie y luego sobre animales domesticados que permitían recorrer grandes distancias sin esfuerzo para la persona. Esta movilidad se divide ya desde tiempos antiguos en dos tipos: la movilidad individual, representada por una persona subida directamente a lomos de un animal, generalmente caballos y la colectiva, que surge del descubrimiento de la rueda y con ella del carro, que permitía transportar más de una persona o mercancías con el uso de un número reducido de animales.
Durante muchos siglos el esquema de movilidad terrestre de la sociedad permaneció invariable. Los carretas de caballos de carga de principios del siglo XIX diferían poco de los empleados por todas las civilizaciones del mundo y el animal era el transporte por excelencia, tanto individual como de carga. La invención de la máquina de vapor es el primer paso en la sustitución del caballo como elemento de propulsión. El ferrocarril es el primer medio de movilidad colectiva y de carga, sin embargo, aunque de vital importancia en el desarrollo económico de los pueblos, apenas solventaba las necesidades de movilidad masiva, ya que requería de una vía específica, y no permitía flexibilidad de recorridos, de modo que durante prácticamente todo el siglo XIX, las máquinas de vapor que arrastraban vagones sobre rieles convivieron con los carruajes de caballos y de carga.
8 de montaje para su modelo T, que permitía acortar tiempos de fabricación y por lo tanto costes del vehículo, posibilitando así la progresiva popularización de los automóviles a un precio razonable. Las innegables ventajas en cuanto a la velocidad y potencia que proporcionaba el vehículo a motor con respecto de la tracción animal, y el atractivo por lo novedoso en su momento que resultaban los automóviles, transformó a los vehículos en elementos indispensables para la sociedad moderna.
2.1.1.- EL AUTOMÓVIL
Luque & Álvarez & Vera (2008) afirman que: “Un automóvil, o vehículo que
se mueve por sí mismo, esencialmente está constituido por dos grandes grupos que son el chasis o conjunto mecánico del vehículo, y la carrocería, destinada a transportar los pasajeros o la cargar, que va anclada al chasis. El chasis en cualquier tipo de automóvil está compuesto de los siguientes elementos:
1. Una estructura resistente
2. El motor y elementos de la transmisión (embrague y cambios de velocidades, colocados a continuación del motor; árbol y puente trasero) 3. Los ejes delanteros, los ejes traseros y las ruedas
4. La suspensión, que une las ruedas o ejes al bastidor 5. El sistema de dirección
6. Los frenos. (p. 8) ”
2.1.2.- LA IMPORTANCIA DE LA SEGURIDAD EN EL AUTOMÓVIL
9 otros sinnúmero de factores. Todas las variables antes mencionadas hacen prácticamente imposible anticipar el resultado final del accidente, razón por la cual todos los fabricantes de vehículos dedican tiempo, recursos y esfuerzos en acondicionar sus automóviles ante la posibilidad de un accidente de tránsito con el único objetivo de preservar la vida e integridad del conductor y de todos los ocupantes del vehículo.
2.1.3.- LA EVOLUCIÓN DE LA SEGURIDAD EN EL AUTOMOVIL
Desde el punto de vista de la seguridad y, en concreto, de todas las tecnologías aplicadas en los vehículos para la reducción de accidentes de tránsito se puede distinguir con claridad tres períodos en la historia del mismo. Todas estas etapas complementarias con el único objetivo de reducir los daños en el conductor u ocupantes en casos de accidentes de tránsito.
Sin embargo, hay que tener en cuenta que se trata de un desarrollo tecnológico creciente y demandante por diversas exigencias internacionales y de control interno de los diferentes países. En toda la historia no se ha dado marcha atrás en ningún aspecto de la seguridad del automóvil y las mejoras no dejan de producirse, aunque los resultados son cada vez menos deslumbrantes.
10 La segunda era, la de la seguridad activa, comprendida entre los años de 1980 al 2004, está marcada por la aplicación de la electrónica a los sistemas de control tradicionales. Los sistemas de frenos ABS o antibloqueo, los sistemas de control de estabilidad o ESP consiguieron desterrar por completo el fantasma de la pérdida de control del vehículo.
Tras proporcionar la protección básica a los ocupantes y garantizar que el conductor nunca pierde el control del vehículo, desde principios de los 2000, los avances en seguridad vial se enfocaron a explorar las posibilidades que ofrecía conocer el entorno por el que circulan el automóvil. Es así como comienza la tercera era, qué es la de la detección, en donde sistemas de seguridad independientes dotados de alguna clase de sensores que prestan ayuda al conductor y tratan de anticiparse a un eventual accidente.
2.2.- SISTEMAS DE SEGURIDAD EN EL VEHÍCULO
En la actualidad los fabricantes de los vehículos encaminan gran parte de sus recursos, esfuerzos y estudios en la seguridad de los mismos para evitar en primera instancia la ocurrencia de accidentes de tránsito y sí estos por desgracia tuvieron su desarrollo que la afectación hacia el conductor y pasajeros sea la mínima posible. Estos grupos se denominan seguridad activa y pasiva del vehículo respectivamente.
2.2.1.- SEGURIDAD ACTIVA
11 actúan siempre de acuerdo con el funcionamiento normal del vehículo. (p.16)”.
2.2.1.1.- El sistema de frenado
El sistema de frenado juega un papel preponderante en la seguridad activa del vehículo determinando la ocurrencia o no de un accidente. Sus funciones radican en reducir la velocidad del vehículo cuando el pedal es accionado y la de mantener al vehículo estacionado cuando se levanta el freno de mano. En el vehículo actúan un conjunto de diferentes fuerzas, para un mejor detalle observar la figura 1, que en muchos de los casos afectan la maniobrabilidad del automotor, en donde los sistemas de freno modernos vienen a trabajar con mayor eficacia. La mayoría de sistemas de frenos convencionales funcionan con sistemas hidráulicos que gracias a la presión que se ejercer en el pedal de freno y el correspondiente desplazamiento del líquido de frenos por el respectivo circuito cerrado permite el accionamiento de cilindros hidráulicos para la reducción parcial o total de la velocidad del vehículo.
Figura 1. Esquema de fuerzas que actúan sobre un vehículo.
12 Sistema de Freno ABS: este sistema electrónico que mejora completamente las prestaciones iniciales de los sistemas de frenos convencionales. Debido a que evitan el bloqueo de las ruedas sobre cualquier tipo de calzada cuando se somete al vehículo a una frenada a fondo, mejorando así la maniobrabilidad del mismo y reduciendo los accidentes de tráfico. En relación a sus componentes principales se detalla en la figura 2.
Figura 2. Partes del sistema de freno ABS.
(Aficionados a la mecánica, 2008)
13 da la aplicación automática del freno del vehículo. Este sistema es complementarios al sistema ABS. Para un detalle mayor se aprecia en la figura 3 el trabajo de este sistema.
Figura 3. Sistema de frenado automático.
(Motorpasion, 2015)
2.3.1.2.- El sistema de dirección
El sistema de dirección de los vehículos tiene por objetivo guiar al mismo mediante una oportuna orientación de sus ruedas direccionales, en otras palabras, comunica los deseos de movimiento del conductor desde el volante hacia las ruedas en función de varios factores tales como: la calzada o terreno, las condiciones climáticas y vibraciones para así mantener la trayectoria correcta del automotor.
14 mantenimiento preventivo, pero en cuanto a inconvenientes se tiene una elevada dureza para maniobras en especial cuando el vehículo está a baja velocidad, pero en altas velocidades una dirección rígida mejora el comportamiento del mismo considerablemente.
Figura 4. Sistema de dirección mecánica por cremallera
(Martínez, 2006)
15 Figura 5. Sistema de dirección hidráulica.
(Martínez, 2006)
En cuanto a la dirección electrónica une las ventajas de los dos sistemas antes mencionados obteniéndose el sistema de dirección más fiable hasta la actualidad. Mediante su control electrónico y diversos sensores mejoran la maniobrabilidad del vehículo en curvas a alta velocidad haciendo de la dirección más rígida y en casos como estacionamientos hace que la misma sea lo más suave posible. Se aprecia en la figura 6 su despiece total.
Figura 6. Sistema de dirección electrónica.
16 2.3.1.3.- Los neumáticos y su adherencia al suelo
Un factor importante en la seguridad y maniobrabilidad del vehículo es la adherencia de los neumáticos. Según la actual ley de tránsito en nuestro país el labrado mínimo permitido de los neumáticos es de 1,5 milímetros a más de ser una contravención complementariamente se aprehende al vehículo y solamente puede ser liberado cuando supere la causa de la infracción, es decir, cuando adquiera unos neumáticos nuevos.
Sobre el neumático actúan varias fuerzas que se aprecian en la figura 7, entre ellas la fuerza de rozamiento del neumático, la fuerza de frenado, el peso del automotor y pasajeros y fuerzas laterales que determinar la alineación del neumático y por ende su comportamiento final para aumentar la seguridad en carreteras y ciudades.
Figura 7. Fuerzas que actúan y deforman el neumático.
(Bosch, 2005)
2.3.1.4.- La iluminación
17 instalados en el automotor. Su principal objetivo es facilitar una iluminación artificial en condiciones de baja visibilidad y para comunicar a los demás usuarios viales de los movimientos y cambios de carril que realizan los vehículos.
Sistemas de iluminación inteligente: Con el avance de la tecnología los sistemas de iluminación vehicular también han evolucionado, teniendo ahora sistemas que tratan de asemejarse a la luz natural, faros que cambian de posición y se ajustan al correspondiente movimiento del volante cuando se realiza un viraje. Han llegado a tener sensores para encendido automático y para cambio de luces evitando encandilamientos a otros conductores, su modo de trabajo se observa en la figura 8 y finalmente sensores que se adaptan a las condiciones climáticas existentes como: lluvia y neblina.
Figura 8. Sistema de iluminación inteligente en los vehículos.
(Autofácil, 2012)
2.3.1.5.- Sistemas de control de estabilidad
18 como: evitar un obstáculo o una velocidad excesiva que impide tener un control adecuado del vehículo, es ahí donde empieza a trabajar el sistema de control de estabilidad o ESP por sus siglas en inglés. El despiece de sus partes se la puede apreciar en la figura 9.
Este sistema electrónico de seguridad activa tiene como objetivo mejorar la maniobrabilidad del vehículo cuando está en movimiento evitando a cualquier modo derrapes laterales o vueltas inestables en el vehículo. Para esto utiliza o trabaja conjuntamente con el sistema de freno ABS realizando el frenado correcto en cada neumático dependiendo del caso.
En relación al funcionamiento podemos decir que los sensores de velocidad en cada rueda suministran información continuamente, también un sensor de dirección ubicado en la parte media del vehículo todo esto se comunica directamente hacia la unidad de control. Si la información real difiere entre los parámetros teóricos comienza a trabajar este sistema. El trabajo combinado de este sistema se lo aprecia en la figura 10.
Figura 9. Elementos del sistema de control electrónico de estabilidad.
19 Figura 10. Diferencias entre vehículos con y sin ESP.
(Bosch, 2005)
2.2.2.- SEGURIDAD PASIVA
Martí (2000) afirma que: “La seguridad pasiva se refiere a aquellos
componentes, ya sean sistemas, dispositivos o mecanismos, que, incorporados al vehículo, preservan a los ocupantes de posibles daños en caso de accidentes. Podríamos definirlos como elementos pasivos cuya acción sólo se desarrolla en caso de accidente. Las bolsas de aire (“air bag”) ocultas en el volante, las barras antigolpes situadas en el armazón de las puertas, o los cinturones de seguridad, son buenos ejemplos de estos elementos de seguridad. (p.16)”
2.2.2.1.- Los cinturones de seguridad
20 producir lesiones seria en el cuerpo de la persona que es retenida en el asiento. (p. 28)”.
A manera de recuento en referencia a la historia del cinturón de seguridad se conoce que ya eran utilizados en 1930 en la industria aeronáutica, pero en 1948 Preston Tucker implementó un dispositivo de retención en su prototipo de vehículo. En sí el primer cinturón de seguridad montado de serie como en
vehículos de producción masiva se instaló en elVolvoAmazon de 1959. Fue
Nils Bohliningeniero deVolvo quien inventó el cinturón de tres puntos,
gráficamente se lo puede observar en la figura 11, que es el usamos actualmente en todos los vehículo. En cuanto a los sus elementos constructivos consta de un carrete, pretensores, la cinta de seguridad y los anclajes respectivos en la carrocería del vehículo.
Figura 11. Cinturones de seguridad en asientos delanteros.
(Parera, 2000)
21 2.2.2.2.- Chasis y carrocería
Durante un accidente de tránsito, el chasis y la carrocería cumplen dos funciones muy importantes: absorber la máxima cantidad de la energía que se libera en el accidente y proteger a los ocupantes, evitando que las deformaciones que se producen en el vehículo lleguen a producirles daños permanentes y lesiones o que queden atrapados en su interior. Los vehículos actuales poseen carrocerías deformables, que se aprecia en la figura 12, a diferencia de los vehículos de décadas pasadas que en accidentes de tránsito no sufrían deformaciones, pero toda la energía producida del impacto se conducía directamente al conductor y estos difícilmente sobrevivían a causa de hemorragias internas que se producían en el cuerpo del conductor.
Figura 12. Carrocería deformable del vehículo Volvo V40.
(Volvo, 2013)
22 de víctimas mortales en un 50% siempre y cuando este dentro de los rangos aceptables y permitidos de velocidad.
2.2.2.3.- Cristales
La estructura interna o constructiva de los cristales es factor importante de la seguridad pasiva, de manera que al romperse en accidentes y colisiones ocasionen los menores daños posibles a los ocupantes del vehículo. Los vidrios utilizados en la industria automotriz son los vidrios templados y laminados, su diferencia de fragmentación se la puede observar en la figura 13. Estos dispositivos en el país son normados por la norma técnica NTE INEN 1669: Vidrios de Seguridad para automotores en donde se obtiene las siguientes definiciones:
Vidrio de seguridad. Es aquel vidrio que ha sido procesado o combinado con otros materiales, de tal manera que, si se rompe sea mínima la probabilidad de causar heridas o cortaduras.
Vidrio de seguridad laminado. Consiste en dos o más láminas de vidrio, unidas firmemente entre sí, por una o varias capas plásticas transparentes y que al romperse, las piezas de vidrio se mantienen unidas al material plástico y conservan su forma y posición originales.
23 Figura 13. Fragmentación de un cristal templado y no templado.
(Vitralba, 2014)
Efectividad en accidentes de tránsito: su importancia radica que al momento de un accidente de tránsito las particular granulares resultantes de la rotura de los cristales no dañen a los ocupantes, en promedio estos
elementos reducen las lesiones entre un 35 – 40% con respecto a otros
cristales.
2.2.2.4.- Reposacabezas
24 Figura 14. Funcionamiento del apoyacabezas en caso de colisiones.
(AutoCosmos, 2012)
Efectividad en accidentes de tránsito: Utilizar el apoyacabezas ha reducido las lesiones de cuello de conductores y pasajeros entre un 9% y 18% en el caso de autos livianos; y en menor proporción, alrededor de un 6% en furgonetas y vehículos todoterreno.
2.2.2.5.- Los airbags
El airbag o bolsas de aire es un sistema complementario al cinturón de seguridad y está destinado a impedir solamente en casos de colisiones o accidentes de tránsito golpes y lesiones graves que pudieran producirse en la cabeza y tórax contra las partes firmes del vehículo como el volante y tablero de instrumentos.
25
2.3.-
INTRODUCCIÓN
AL
SISTEMA
DE
AIRBAG,
CLASIFICACIÓN Y ELEMENTOS
La seguridad activa es un apartado que comprende todos los elementos y conjuntos instalados por partes de los constructores desde el momento de la fabricación con el fin de minimizar las consecuencias producidas de un accidente o colisión de tránsito y por consecuencia evitar daños graves en el conductor y los ocupantes. Entre los que podemos destacar están: los apoyacabezas, la carrocería deformable, los cristales laminados y templados, los cinturones de seguridad, pero sobre todo el conjunto del airbag que trataremos a continuación.
2.3.1.- ANTECEDENTES
La seguridad dentro del vehículo es un pilar fundamental a la cual todos los fabricantes enfocan sus estudios y esfuerzos. Previo a la invención del airbag o bolsas de aire, los vehículos ya contaban con elementos de seguridad activa y pasiva. Por nombrar dispositivos se tiene al cinturón de seguridad que retiene a los ocupantes del automóvil en caso de accidentes, avances en sistemas de dirección, suspensión, neumáticos entre otros elementos. La tecnología del airbag en los vehículos fue una ayuda de la industria aeronáutica que poseía sistemas rudimentarios semejantes a las bolsas inflables que se distinguen en la actualidad.
2.3.1.1.- Historia y desarrollo
26 choque, la persona en cuestión sea lanzada contra ese depósito elástico y no sufra lesión alguna. El desarrollo del airbag ha sido muy lento debido a los problemas que generaba la gestión electrónica de sus accionamientos, las campañas contra el airbag en EE.UU. de finales de los setenta y el desarrollo de otros sistemas de retención como el cinturón de seguridad. Fue a mediados de los ochenta cuando se implantó de serie en automóviles de muy alta gama, y en los noventa cuando se ha extendido a todo el mercado automovilístico y se ha desarrollado totalmente su técnica. (p. 215).”
2.3.1.2.- Definición del airbag
El airbag es un dispositivo de seguridad pasiva de control electrónico y accionamiento pirotécnico que produce un gas (nitrógeno) para el respectivo inflado de las respectivas bolsas de nylon que se encuentran dentro de cubiertas plásticas, sus partes principales se detallan en la figura 15. En caso de accidentes, el airbag se activa e infla en milésimas de segundo. La unidad de control electrónica determina la activación del sistema y en caso de fallas encender el respectivo testigo luminoso en el tablero de instrumentos.
Figura 15. Componentes y ubicación del sistema de airbag.
27 2.3.2.- FUNCIONAMIENTO DEL AIRBAG
Martí (2000), en cuanto al funcionamiento del airbag afirma que: “El mecanismo del “air bag” es parecido al utilizado en los tensores de los cinturones de seguridad, pero ahí el chorro gaseoso, producto de la combustión de una pastilla de combustible sólido, en vez de ser proyectado a los álabes de la turbina del tensor, es dirigido hacia el interior de un globo de tela fina que se infla en unos pocos milisegundos; este globo, que es la almohadilla, en posición normal permanece escondido en un pequeño compartimiento situado dentro del volante, o en la tapa de la guantera, disimulado por otra tapa. (p. 34).”
En accionamiento está dado por una unidad de control que recibe la información de diversos sensores como: sensores de desaceleración, sensores de impacto frontales, laterales y posteriores, sensores de ocupación en los asientos, sensores de velocidad, entre otros. Si existe una información que difiere de los rangos normales, se enviará una señal eléctrica para el accionamiento del grupo pirotécnico que internamente posee una pastilla de combustible sólido que al momento de detonar genera nitrógeno gaseoso que es el encargado de inflar las bolsas de nylon, su activación se observa en la figura 16, en fracciones de segundo.
Figura 16. Proceso de inflado del airbag
28 2.3.2.1.- Tiempos de activación
El inflado es rápido e instantáneo de la bolsa en menos de 3/100 de segundo, su proceso de activación por etapas se aprecie en la figura 17. El desinflado de la misma es en un tiempo muy corto porque la bolsa no permanece inflada sino que se activa solo en el momento del impacto.
Figura 17. Tiempos de activación del sistema de airbag
29 2.3.3.- ESTRUCTURA DEL SISTEMA DEL AIRBAG
El sistema del airbag se compone de diversos elementos que carácter eléctrico, electrónico, combustibles sólidos, elementos pirotécnicos, bolsas inflables entre otros, que trabajan íntimamente relacionados y permiten el accionamiento del sistema de seguridad pasiva en cuestión de milisegundos para la protección del conductor y acompañantes en casos de accidentes o colisiones de tráfico.
2.3.3.1.- Unidad de control
30 Figura 18. Diagrama de mando para los airbag frontal y lateral.
(Bosch, 2005)
2.3.3.2.- Sensor de impacto
Ante una colisión, el sensor de impacto de la unidad de airbag envía información en magnitud sobre la desaceleración (duración, dirección e intensidad) sufrida por el vehículo en los primeros instantes del accidente y la unidad de control evalúa la necesidad de activación de los distintos elementos, la misma determina si activa los airbags, los pretensores de los cinturones de seguridad o ambos al mismo tiempo. En cuanto a su ubicación puede estar debajo del capot, debajo de los asientos o incorporado al módulo de control. Es un elemento electrónico sensible a una combinación de fuerza de aceleración y duración de la misma, lo cual contribuye a evitar un disparo accidental del sistema. Para reconocer su imagen real observar la figura 19.
31 normales, su estructura interna realiza el movimiento de placas internas para el respectivo accionamiento del dispositivo de disparo del airbag. Controlan desaceleraciones entre 50 y 100 veces la aceleración de la gravedad en la tierra.
Figura 19. Sensor de impacto del sistema de airbag.
(Aficionados por la Mecánica, 2014)
2.3.3.3.- Arnés de cables
32 Figura 20. Cableado completo del sistema de airbag.
(Volkswagen Passat, 2014)
2.3.3.4.- Bolsa inflable
33 Figura 21. Bolsas inflables frontales.
(Cesvi Argentina, 2011)
Materiales de las bolsas inflables: el principal material constructivo de las bolsas inflables es el nylon, este elemento es un polímero sintético que brinda las siguientes propiedades: buena dureza, alta capacidad de soportar golpes, bajo desgaste y resistencia a elementos químicos. Otro material que existen dentro de las bolsas inflables es el neopreno que al ser una goma sintética evita el escape del gas de inflado hacia el exterior y mejorando la absorción del impacto en casos de accidentes o colisiones.
34 2.3.3.5.- Contactor espiral
También conocido como contactor giratorio es el encargado de la respectiva conexión eléctrica entre todos los mandos que posee el volante del vehículo durante el giro del mismo en cualquier ángulo de movimiento incluso en un giro completo. Su forma se aprecia en la figura 22.
Figura 22. Contactor espiral del volante de la dirección.
(Renault Megane, 2012)
2.3.3.6.- Generador de gas
35 Figura 23. Unidad generadora de gas.
(Aficionados por la Mecánica, 2012)
2.3.3.7.- Detonador
Este elemento es el encargado de la ignición del combustible sólido que contiene todo el conjunto generador de gas. Recibe una señal de disparo de la unidad de control esta señal provoca un arco eléctrico en el interior del fulminante. Desde que ocurre esto se desencadena la combustión del propulsor sólido muchas de las veces podemos encontrar cerca del detonador una cierta cantidad de pólvora negra para ayudar a que el arco eléctrico provocado por la señal eléctrica sea más contundente y se difunda uniformemente por todas las pastillas de combustible sólido, evitando de esta manera una combustión por etapas y la consecuente deformación o inflado incorrecto de la bolsa inflable. Toda su parte estructural tanto interna como externa se la reconoce con la claridad en la figura 24.
Figura 24. Detonador del combustible sólido del sistema de airbag.
36 2.3.3.8.- Propulsor sólido
El combustible sólido dentro del sistema del airbag está en forma de pastillas su forma se distingue en la figura 25 y el compuesto químico se denomina
azida de sodio con su fórmula química NaN3, cuando actúa el detonador
eléctrico empieza una reacción química por acción de la temperatura a más de 600° centígrados. Este combustible se descompone en sodio y nitrógeno, el sodio resultante es peligroso por eso los constructores colocan otros compuestos como el nitrato de potasio y sílice, para que por reacción química produzcan pequeños cristales sólidos y no gases que puedan ser absorbidos por las vías respiratorias del conductor o sus acompañantes.
Figura 25. Pastillas de combustible sólido (azida sódica).
(MuniciónOrg, 2011)
2.3.3.9.- Cubierta protectora
37 Figura 26. Cubiertas plásticas sistema del airbag.
(Inyection Plastic, 2014)
2.3.3.10.- Testigo de averías
Este dispositivo luminoso muestra el funcionamiento adecuado del airbag, queda encendido en el tablero de instrumentos cuando el sistema se activó o demuestra alguna falla en su funcionamiento. Su determinación de avería se realiza mediante un escáner automotriz. Su testigo o forma clásica se observa con claridad en la figura 27.
Figura 27. Testigo de funcionamiento del sistema del airbag
38 2.3.4.- TIPOS DE AIRBAGS
Los airbags se clasifican principalmente por la ubicación que tengan en el vehículo, aunque su disposición depende únicamente del fabricante, pero el costo final del automotor es directamente proporcional al número de airbags que posea. Pero estos elementos de seguridad pasivos son determinantes con el uso conjunto del cinturón de seguridad para reducir el número de víctimas mortales en accidentes de tránsito.
2.3.4.1.- Airbag frontal
Los airbags frontales se encuentran ubicados en el volante para el conductor y en el panel de instrumentos o salpicadero para el acompañante y protegen principalmente partes sensibles del cuerpo como: el tórax, el cuello y el rostro. La forma en cómo se inflan estos elementos se aprecia en la figura 28.
Figura 28. Airbag frontales del Lexus RX.
39 2.3.4.2.- Airbag lateral
Este airbag suele ir instalado principalmente en la parte lateral del propio asiento del conductor y su acompañante y se infla automáticamente en caso de impacto lateral entre las puertas y el cuerpo de los ocupantes. Por lo general vienen instalados en los asientos delanteros, pero también pueden estar complementariamente en los asientos traseros. Existen dos tipos que los detallamos a continuación:
Airbag lateral solo tórax: esta bolsa de aire es de un reducido tamaño y cubre estratégicamente el tórax de la persona, su forma se aprecia en la figura 29. Protegiendo así sobre todo de lesiones en las costillas.
Figura 29. Airbag lateral solo tórax.
(Tecnoautos, 2010)
40 Figura 30. Airbag lateral tórax y cabeza.
(Fundación Mapfre, 2015)
2.3.4.3.- Airbag de cortina
Esta clasificación del sistema de airbag es de reciente invención y su difusión no se está generalizada totalmente, pero en algunos modelos ya conlleva de serie este dispositivo de seguridad pasiva. Se infla automáticamente desde el arco del techo del vehículo y se despliega como una cortina lateral llena de aire, su activación se aprecia en la figura 31. Protege la cabeza para que no se golpee contra los cristales laterales y ventoleras del vehículo.
Figura 31. Airbag de cortina.
41 2.3.4.4.- Airbag de rodilla
Esta bolsa inflable está ubicada de forma exclusiva en el sitio del conductor su activación se aprecia en la figura 32. Se infla por la parte baja del tablero de instrumentos, debajo de la columna de dirección, para que las rodillas no se golpeen contra estas partes fijas ocasionan lesiones graves que impidan que el conductor salga del vehículo.
Figura 32. Airbag de rodillas.
(Tecnoautos, 2014)
2.3.4.5.- Airbag posterior
Esta bolsa de aire se despliega como una cortina por detrás de los apoyacabezas de los asientos posteriores, su forma típica se aprecia en la figura 33, se activa automáticamente en caso de impactos o colisiones fuertes por alcance. Principalmente es usado en vehículos de longitudes reducidas.
Figura 33. Airbag para impactos posteriores.
42 2.3.4.6.- Airbag central
Los primeros dispositivos de seguridad de este tipo se han dado por parte de General Motors y en los Estados Unidos vehículos ya tienen este avance en la seguridad. Tiene la estructura de un airbag lateral, sino que su ubicación no está entre la puerta y la persona, está en el centro entre los dos asientos delantero, para evitar y reducir que en caso de choque lateral que el conductor golpee la parte parietal de la cabeza con su acompañante. Su activación se aprecia en la figura 34.
Figura 34. Airbag lateral Chevrolet Traverse.
(Chevrolet Chile, 2013)
2.3.4.7.- Airbag de cinturón de seguridad
43 Figura 35. Airbag en el cinturón de seguridad fabricado por Ford.
(Fundación Mapfre, 2015)
2.3.4.8.- Airbag para peatones
Este tipo de airbag fue presentado inicialmente por Volvo en su modelo V40, en el año 2013. Es un airbag que se despliega por debajo del capot del motor, se aprecia su forma típica en la figura 36 y se activa en la parte inferior del parabrisas para reducir los daños que sufren los peatones cuando resultan atropellados y sus partes blandas del cráneo se ven comprometidas.
Figura 36. Airbag para peatones activándose en el Volvo V40.
44 2.3.5.- FUENTE DE ENERGÍA PROVISIONAL EN CASO DE EMERGENCIAS
Dentro del circuito electrónico del sistema de airbag se dispone de una zona de alimentación de tensión, en la que se encuentran conectados en la mayoría de los casos unos condensadores de diferentes capacidades que sirven de reserva de energía. En caso de accidentes es alta la posibilidad que el vehículo quede sin energía de alimentación por la destrucción de la batería o por el corte del cableado principal, es donde entran a trabajar estos condensadores brindando el accionamiento del airbag en el momento del accidente, pero también por la presencia de estos elementos obliga a los operadores a esperar un tiempo prudencial de por lo menos quince minutos para realizar cualquier mantenimiento en el sistema del airbag para evitar cualquier disparo accidental del conjunto. Los fabricantes manifiestan que el disparo del Airbag debe garantizarse durante toda la duración de la colisión alrededor de 0,12 segundos aunque la alimentación externa de la unidad de control desaparezca. Por este motivo se utilizan unos condensadores de gran capacidad normalmente de 35 V y 2200 - 4700 Uf.
2.3.6.- DESCONEXIÓN DEL AIRBAG
45 Figura 37. Interruptor de desconexión del airbag para el acompañante.
(Volvo Cars, 2013)
2.4.- EL BANCO DIDÁCTICO
El banco didáctico permite analizar un sistema o proceso desde varias aristas como: el análisis previo o software a utilizarse, el enfoque de materiales, propiedades y comportamientos, así también las herramientas, es decir, estudiar todo el aspecto constructivo previo, la construcción misma y el posterior funcionamiento del banco didáctico simulando todos los requerimientos y funciones deseadas al inicio.
2.4.1.- GENERALIDADES DEL BANCO DIDÁCTICO
46 2.4.2.- IMPORTANCIA DEL BANCO DIDÁCTICO
Un banco didáctico es un tipo de prototipo que se encaminan a fortalecer los conocimientos teóricos con el respectivo fundamento práctico o demostrativo, su función es netamente educativa. Su importancia radica en cimentar todos los conocimientos adquiridos dentro de cualquier materia técnica con la experimentación y visualización real del funcionamiento en pleno de cualquier sistema o proceso.
2.4.3.- CLASIFICACIÓN DE LOS BANCOS DIDIDÁCTICOS
La principal clasificación de los bancos didácticos es por la función o la demostración que realizan, entre ellos podemos citar los siguientes:
Definición de banco de pruebas o ensayos: un banco de pruebas en sí es una plataforma para la interacción y experimentación de proyectos en donde influyen diversos factores físicos y mecánicos. Sus procesos son repetitivos para la obtención de la mayor cantidad de datos para sí formular hipótesis y afirmar leyes o teorías. Entre los tipos de ensayos más representativos se tiene los siguientes:
Ensayos no destructivos: son las pruebas practicadas a los materiales y que no altera de forma permanente sus propiedades físicas, químicas, mecánicas o dimensionales. Los principales ensayos no destructivos que se pueden mencionar son: las radiografías, el ultrasonido, las inspecciones visuales y finalmente las tintas penetrantes.
47 2.4.4.- EL BANCO DIDÁCTICO Y LA EDUCACIÓN
Una educación integral se basa en la fusión de los conocimientos teóricos completos sobre diversos campos de la ciencia, pero los mismos no tendrían su completa validez sin su respectiva experimentación, simulación y comprobación práctica, en donde radica el uso de diversas plataformas como son los bancos didácticos que representan de forma simple y funcional cualquier sistema o proceso por más complejo que este sea. La conocimiento y la experimentación van de la mano para formar profesionales que resuelvan cualquier problema en el área que se desempeñen.
2.5.- HERRAMIENTAS Y CONOCIMIENTOS CONSTRUCTIVOS
PREVIOS AL BANCO DIDÁCTICO
En referencia a los pasos previos para la construcción de cualquier sistema se considera las siguientes aristas. En primer lugar el diseño mecánico que se encamina al proceso de dar forma a las ideas del diseñador o ingeniero en cuanto a dimensiones, materiales de fabricación, tecnologías para el proceso constructivo y sobre todo simulaciones en caso de necesitarse en relación al funcionamiento de las futuras máquinas.
2.5.1.- DEFINICIÓN DE DISEÑO MECÁNICO
48 Adicionalmente, García (2004) afirma: “Diseño en ingeniería es el proceso de concepción de un sistema para satisfacer unas necesidades. Es éste un proceso de toma de decisiones, a menudo iterativo, en la cual las ciencias básicas, las matemáticas y los conocimientos de ingeniería son aplicados para transformar óptimamente los recursos y satisfacer los objetivos” (p.11).
2.5.2.- SOFTWARE PARA DISEÑO MECÁNICO
También conocidos como sistemas Computer Aided Design o sistemas
asistidos por computadora, estas herramientas informáticas y
computacionales de gran ayuda para ingenieros, arquitectos y diseñadores trabajan básicamente en dos aspectos. Entre ello se tiene la programación en dos dimensiones o 2D basadas en entidades geométricas vectoriales como puntos, líneas, arcos y polígonos. Por otra parte el modelado en tres dimensiones o 3D que complementan con superficies y sólidos a los trazos realizados en la anterior dimensión. Entre los software más reconocidos actualmente se dispone: SolidWorks, Autocad e Inventor.
2.5.2.1.- SolidWorks
SolidWorks es un software CAD o diseño asistido por computadora para modelado mecánico previo de elementos, máquinas, herramientas, prototipos y sistemas en tercera dimensión o 3D, desarrollado en la actualidad por SolidWorks Corp., empresa de origen francés, el sistema operativo con el que trabaja principalmente y mantiene alianzas estratégicas es Microsoft Windows. Su primera versión fue desarrollada en 1995 con el objetivo de hacer a la tecnología del diseño asistido por computadora más accesible para diseñadores, ingenieros y público en general.
49 consiste en plasmar la idea fundamental del diseñador al sistema CAD, gracias a su interfaz amigable y de fácil uso para el usuario, su pantalla de inicio se puede diferenciar en la figura 38. Finalmente sus funciones complementarias y muy utilizadas son los cálculos de esfuerzos, tensiones, deformaciones, entre otras variables físicas y mecánicas determinantes en el comportamiento de los elementos o sistemas a crear.
Figura 38. Pantalla de Inicio del programa SolidWorks
(SolidWorks Corp, 2015)
2.5.2.2.- AutoCAD
50 uno de los programas más usados por arquitectos, ingenieros, diseñadores industriales y otros.
Figura 39. Pantalla de Inicio del programa AutoCAD
(Autodesk, 2015)
2.5.3.- CONSTRUCCIONES MECÁNICAS
Se tiene por definición que una construcción mecánica es el proceso sistemático de implementación de todos los estudios, objetivos, necesidades recabados en las fases de requisitos previos y evaluación del diseño mecánico, para obtener el producto final de forma física, siguiendo los diseños o planos que pueden ser dibujos manuales o asistidos por computadora, para obtener así un elemento, máquina, sistema o prototipo funcional, seguro y eficiente.
2.5.3.1.- Materiales en el diseño mecánico
