UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ CONSTRUCCIÓN DE UNA MAQUETA DE UN MOTOR MONOCILÍNDRICO PARA DEMOSTRACIÓN DE LA CINEMÁTICA DEL MOTOR EN EL MECANISMO BIELA – MANIVELA TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA AUTOMOTRIZ JULIANA ALEJANDRA REYES NIETO DIRECTOR: ING. CÉSAR PADILLA Quito, Enero 2015 © Universidad Tecnológica Equinoccial. 2015 Reservados todos los derechos de reproducción DECLARACIÓN Yo, JULIANA ALEJANDRA REYES NIETO, 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. _________________________ Juliana Alejandra Reyes Nieto C.I. 172430244-1 CERTIFICACIÓN Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Construcción de una Maqueta de un Motor Monocilíndrico para Demostración de la Cinemática del Motor en el Mecanismo Biela-Manivela”, que, para aspirar al título de Ingeniera Automotriz fue desarrollado por Juliana Alejandra Reyes Nieto, 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. César Padilla DIRECTOR DEL TRABAJO C.I. 170049392-5 DEDICATORIA “Nadie dijo que fuera fácil, pero prometieron que valdría la pena” Dedico este trabajo, con mucho cariño: A mis padres, Edwin y Sonia, y a mis hermanos, Renata y Estefano, quienes me han brindado su amor y apoyo, y han sido mi pilar fundamental y mi motivación para luchar por mis metas. A todos quienes están conmigo, gracias por confiar en mí y nunca dejarme sola en este largo camino que es la vida. Juliana Reyes Nieto AGRADECIMIENTOS Agradezco infinitamente: A Dios, por darme la vida y la salud para lograr alcanzar mis metas. A mis padres, por su ejemplo y apoyo incondicional para hacer de mí lo que ahora soy. A mis hermanos por darme la fuerza y motivación para seguir siempre adelante. A mi tía, a mi novio y a mis amigos y familia en general, quienes estuvieron siempre alentándome y recordándome que yo sí podía. A mis maestros, quienes me brindaron sus conocimientos para hacer de mí una excelente profesional. Al Ing. César Padilla, por su guía, ayuda, paciencia y dedicación en cada etapa de este trabajo, gracias por ser un gran maestro. ÍNDICE DE CONTENIDOS RESUMEN xvii ABSTRACT xix 1. INTRODUCCIÓN 21 1.1. PROBLEMA 22 1.2. JUSTIFICACIÓN 22 1.3. OBJETIVOS DEL PROYECTO 23 1.3.1. OBJETIVO GENERAL 23 1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 23 1.4. ALCANCE 2. MARCO TEÓRICO 2.1. MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA 2.1.1. 25 26 SISTEMÁTICA DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA 2.1.2. 24 28 CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA 30 2.2. PARÁMETROS GEOMÉTRICOS DEL MOTOR 33 2.3. CONCEPTOS BÁSICOS DE CINEMÁTICA 39 2.4. CINEMÁTICA DE MÁQUINAS Y MECANISMOS 42 2.4.1. MECANISMOS DE TRANSMISIÓN DE MOVIMIENTO 2.4.1.1. Mecanismos de transmisión lineal 43 44 vii 2.4.1.2. 2.4.2. Mecanismos de transmisión circular 46 MECANISMOS DE TRANSFORMACIÓN DE MOVIMIENTO 49 2.4.2.1. Mecanismos de transformación circular en lineal 49 2.4.2.2. Mecanismos de transformación circular en lineal alternativo 51 2.4.3. 2.5. OTROS MECANISMOS DE INTERÉS CINEMÁTICA DEL MECANISMO BIELA – MANIVELA 3. METODOLOGÍA 54 56 67 3.1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL MOTOR 68 3.2. SISTEMA MECÁNICO 69 3.2.1. SELECCIÓN DE MATERIALES 69 3.2.2. DISEÑO DE LA MAQUETA Y SUS MECANISMOS 71 3.2.3. MECANISMO PARA LONGITUD DE BIELA VARIABLE 73 3.2.4. ALTURA VARIABLE DEL CILINDRO 75 3.2.5. MOVIMIENTO DEL CIGÜEÑAL 76 3.2.6. DISCO DE ÁNGULO DE GIRO 77 3.2.7. ESCALA DE DESPLAZAMIENTO 78 3.2.8. BASE DE BANCADAS DE CIGÜEÑAL Y ESTRUCTURA DE LA MAQUETA 79 3.2.9. 83 MONTAJE DEL SISTEMA MECÁNICO DE LA MAQUETA 3.2.9.1. Unión de la estructura mediante suelda GMAW (MIG) 3.2.10. ACABADOS 3.2.10.1. Capa antioxidante 83 85 85 viii 3.3. 3.2.10.2. Pintura electrostática 86 SISTEMA ELECTRÓNICO 88 3.3.1. SELECCIÓN DE ELEMENTOS A UTILIZAR 88 3.3.1.1. Arduino Mega 89 3.3.1.2. Pantalla gráfica TFT LCD 3.2" 90 3.3.1.3. Panel touch 91 3.3.1.4. Sensor de revoluciones 93 3.3.1.5. Variador de revoluciones 94 3.3.2. ARMADO DEL CIRCUITO 95 3.3.3. PROGRAMACIÓN 97 3.4. PRUEBAS DE FUNCIONOMIENTO 4. RESULTADOS 4.1. MANUAL DE USO Y FUNCIONAMIENTO DE LA MAQUETA 98 103 104 4.1.1. COMPONENTES DEL EQUIPO 104 4.1.2. PRECAUCIONES Y SEGURIDADES 104 4.1.3. ESQUEMA Y DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA 105 4.1.4. ENCENDIDO Y APAGADO 106 4.1.5. MANEJO DEL PROGRAMA 107 4.1.6. UTILIZACIÓN DE LA MAQUETA MEDIANTE FUNCIONAMIENTO MANUAL 108 4.1.7. 109 4.3. PRUEBAS DE TALLER GUÍAS PARA PRÁCTICAS EN EL TALLER 110 ix 4.4. ANÁLISIS DE RESULTADOS 117 4.4.1. DESPLAZAMIENTO, VELOCIDAD Y ACELERACIÓN 117 4.4.2. RELACIÓN BIELA – MANIVELA (FACTOR λ) 118 4.4.3. CINEMÁTICA Y MECANISMO BIELA - MANIVELA 118 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 119 5.1. CONCLUSIONES 120 5.3. RECOMENDACIONES 122 ANEXOS 123 NOMENCLATURA 140 BIBLIOGRAFÍA 143 x ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Sistemática de la máquina de combustión 30 Tabla 2. Ventajas e inconvenientes de los motores según la relación S/D 34 Tabla 3. Valores habituales para la relación carrera – diámetro 35 Tabla 4. Valores habituales para la relación de compresión 38 Tabla 5. Movimientos y mecanismos 55 Tabla 6. Pruebas realizadas en la maqueta 98 Tabla 7. Datos de posiciones (x) del pistón en función del ángulo girado por el cigüeñal (α) medidos manualmente y comparados con los obtenidos mediante software 100 Tabla 8. Datos de la maqueta a 200 rpm obtenidos por software 101 xi ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Diagrama de entradas y salidas de un MCI 26 Figura 2. Ciclos Termodinámicos Otto y Diésel 27 Figura 3. Curvas características del motor 28 Figura 4. Fases de un motor de 4 tiempos 31 Figura 5. Motores refrigerados por líquido (A) y por aire (B) 32 Figura 6. Ciclos de pistón rotativo vs pistón alternativo 32 Figura 7. Disposición de los cilindros de un motor 33 Figura 8. Comparación entre cilindros de distinto S/D, con igual cilindrada y relación de compresión volumétrica 35 Figura 9. Dimensiones: longitud de biela, radio de manivela 36 Figura 10. Dimensiones: área del pistón, volumen de la cámara de combustión, cilindrada, relación de compresión 38 Figura 11. Movimiento uniforme y movimiento variado 40 Figura 12. Movimiento alternativo del pistón 41 Figura 13. Tipos de sistemas de poleas 44 Figura 14. Tipos de palancas 45 Figura 15. Transmisión por correas 47 Figura 16. Tipos de engranajes en función de la forma de sus dientes 48 Figura 17. Esquema del mecanismo piñón – cremallera 50 xii Figura 18. Sistema de tornillo – tuerca utilizado en gatas mecánicas 51 Figura 19. Esquema del sistema biela – manivela 52 Figura 20. Esquema del cigüeñal 53 Figura 21. Funcionamiento de una excéntrica 53 Figura 22. Mecanismo leva – seguidor 54 Figura 23. Sistema biela – manivela 56 Figura 24. Descentramiento del eje del bulón 57 Figura 25. Esquema básico de biela – manivela 58 Figura 26. Diagrama de desplazamiento del pistón 61 Figura 27. Diagrama de la velocidad del pistón 64 Figura 28. Diagrama de la aceleración del pistón en función de los ángulos de rotación de la manivela 66 Figura 29. Motor de Suzuki GN 125 68 Figura 30. Esquema de la maqueta (incluido el motor eléctrico) 72 Figura 31. Esquema del mecanismo de longitud variable de la biela 74 Figura 32. Perforaciones en las placas y la biela para variar su longitud 74 Figura 33. Mecanismo de longitud de biela variable 75 Figura 34. Ubicación de soportes para altura variable del cilindro y esquema de las piezas de aumento 75 Figura 35. Motor eléctrico DC a 24v 77 Figura 36. Disco indicador de ángulo de giro 78 Figura 37. Escala de desplazamiento y corte del cilindro 78 Figura 38. Esquema de las placas para la estructura 79 xiii Figura 39. Esquema de la estructura 80 Figura 40. Perforaciones a las placas de la estructura 80 Figura 41. Doblado de las placas 81 Figura 42. Bancada del cigüeñal 81 Figura 43. Portabocines con bocines y retenedores 82 Figura 44. Rectificación de la superficie de la bancada del cigüeñal 82 Figura 45. Machuelado del agujero para vaciar el cárter 83 Figura 46. Soldadura de la maqueta 84 Figura 47. Unión por soldadura MIG 84 Figura 48. Pintura electrostática aplicada en las piezas 87 Figura 49. Placa Arduino Mega 89 Figura 50. Display TFT GLCD 3.2” 90 Figura 51. Shield para TFT 91 Figura 52. Panel touch para GLCD 3.2” 92 Figura 53. Estructura interna del panel táctil 92 Figura 54. Sensor de encoder con optoacoplador 93 Figura 55. Disco de encoder 94 Figura 56. Mosfet variador de tensión 95 Figura 57. Circuito mosfet para variación de tensión 95 Figura 58. Circuito transformador y rectificador de tensión 96 Figura 59. Conexión de elementos a la placa Arduino 96 Figura 60. Maqueta terminada 99 xiv Figura 61. Gráfica de desplazamiento obtenida por software 101 Figura 62. Gráfica de velocidad obtenida por software 102 Figura 63. Gráfica de aceleración obtenida por software 102 Figura 64. Esquema de la maqueta y sus partes 105 Figura 65. Descripción del proceso de funcionamiento 106 Figura 66. Pantalla de inicio 107 Figura 67. Botones variadores de rpm 108 xv ÍNDICE DE ANEXOS ANEXO 1 Plano general del banco de pruebas 124 ANEXO 2 Plano del mecanismo de longitud variable de biela 125 ANEXO 3 Plano de fabricación de las placas para la estructura 126 ANEXO 4 Plano del montaje de la estructura 127 ANEXO 5 Plano de fabricación de bocines, portabocines y retenedores 128 ANEXO 6 Programa en Arduino 129 ANEXO 7 Maqueta terminada (varias vistas) 138 ANEXO 8 Costos del proyecto 139 xvi RESUMEN En este proyecto se construyó una maqueta funcional utilizando un motor monocilíndrico, mediante la cual se puede comprender la aplicación de conceptos cinemáticos en los parámetros principales para el diseño de un motor y la geometría de su mecanismo biela – manivela. La maqueta fue realizada tras identificar la necesidad de aprendizaje y comprensión de cinemática aplicada al motor y será utilizada posteriormente en prácticas por los alumnos de la carrera de Ingeniería Automotriz de la Universidad Tecnológica Equinoccial en Quito – Ecuador. Se realizó el diseño y la selección del motor y los materiales en base al uso que se le iba a dar a dicha maqueta. Al construir la parte mecánica, se utilizaron procesos, máquinas y herramientas propios del área mecánica. Para el corte de las placas se requirió de una cizalla, se necesitó una dobladora para darles a ciertas piezas la forma requerida, al realizar las perforaciones se utilizó el taladro de pedestal, en varios procesos se necesitó también un torno y una fresadora; soldadura, protección antioxidante y pintura fueron los procesos utilizados en este trabajo; machuelos, tarraja y calibrador pie de rey son algunas de las herramientas que fueron útiles al construir la maqueta. En cuanto a la realización de la parte electrónica del proyecto, se aplicaron los conocimientos de electrónica automotriz pero también se tuvieron que ampliar conocimientos dentro del área de programación. El sensor óptico fue elegido ya que es el de mejores características para la aplicación requerida; el motor eléctrico que da movimiento al sistema es de corriente continua con caja reductora y fue escogido debido a su facilidad de control; se optó por el uso de la plataforma Arduino ya que es de software libre, de fácil manejo y con amplias opciones de aplicación. xvii Se realizó además un manual de uso y funcionamiento de la maqueta, así como también una guía de práctica útil para los estudiantes. Al finalizar, se logró crear un sistema amigable con el usuario, fácil de entender y manipular, con el cual se obtuvieron datos que comprueban las teorías del funcionamiento de mecanismos en base a conceptos cinemáticos y que ayudará a mejorar la capacidad de aprendizaje y comprensión en temas de cinemática aplicada en el diseño, construcción y modificación del motor, específicamente enfocados en el sistema biela – manivela. xviii ABSTRACT In this project, a functional model was constructed using a single – cylinder engine, through which one can understand the application of concepts in the main kinematic parameters for the design of an engine and the geometry of the rod – crank mechanism. The model was made after identifying the need for learning and understanding of kinematics applied to the motor and will be used later in practices by the Automotive Engineering students of the Universidad Tecnológica Equinoccial in Quito – Ecuador. Design and motor and materials selection was performed based on the use that is going to give to this model. In constructing the mechanical part, processes, machines and tools own from the mechanical area were used. For cutting plates has required a shear, a bending tool was needed to give the required form to certain parts, pedestal drill was used to make the perforations, in various processes were also needed a lathe and a milling machine; welding, rust protection and paint were the processes that were used in this work; taps, tapper threading and caliper are some of the tools that were useful in constructing the model. As for the realization of the electronic part of the project, knowledge of automotive electronics was applied but also had to expand knowledge in the area of programming. The optical sensor was selected because it has the best features for the required application; the electric motor that gives motion to the system operates with DC and has a gearbox, it was chosen because of its ease in control; it was decided to use the Arduino platform because it is an open source, easy to use and with extensive application options. It was also developed a handbook of usage and operation of the model, as well as a useful practice’s guide for students. xix At the end, it was possible to create a user-friendly system, easy to understand and manipulate, with which were obtained data that proves the theories of performance of mechanisms based on kinematic concepts and which will help improve the learning and understanding capacity with regard to kinematic themes applied in engine design, construction and modification, specifically focused on the rod – crank system. xx 1. INTRODUCCIÓN 1.1. PROBLEMA Variables que Causan el Problema: Dificultad al comprender y aplicar cálculos cinemáticos del motor en la parte práctica. Falta de material didáctico en la carrera de Ingeniería Automotriz para poder comprender y aplicar las enseñanzas teóricas relacionadas con la cinemática en el mecanismo biela – manivela. 1.2. JUSTIFICACIÓN La cinemática es una de las materias básicas en el aprendizaje del funcionamiento de máquinas y mecanismos, sobre todo en motores de combustión interna. El análisis cinemático permite relacionar el desplazamiento lineal del pistón y su velocidad con el giro del mecanismo biela - manivela; determinar las aceleraciones del pistón y del cuerpo de la biela, lo cual es fundamental para su dimensionado, y del pie de biela que, multiplicadas por la masa del pistón y de la parte de biela que puede considerarse constituyente del pie, dan las fuerzas alternativas que deberán tomarse en cuenta para el equilibrado posterior. Dentro del aprendizaje de temas que tienen que ver con cálculos en el diseño y funcionamiento de los motores y sus mecanismos, muchas veces es algo complejo comprender la aplicación de dichos temas en el campo práctico. 22 Para solucionarlo, se propone la construcción de una maqueta didáctica, que servirá para prácticas de taller, en la cual se pueda observar todos los parámetros que tienen relación a la cinemática del motor, tales como desplazamiento del pistón, giro del cigüeñal, velocidad y aceleración alcanzadas por el pistón, relación entre la longitud de la biela y su manivela; lo cual es la geometría o arquitectura del motor. Con esto se podrá ver de forma práctica la aplicación de la teoría, y ayudará a la explicación y comprensión de estos temas. 1.3. OBJETIVOS DEL PROYECTO 1.3.1. OBJETIVO GENERAL Construir una maqueta de un motor monocilíndrico para la demostración de la cinemática del motor en el mecanismo biela – manivela. 1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Diseñar la estructura y seleccionar los materiales adecuados para la realización de un banco de pruebas (maqueta) de un motor monocilíndrico que ayude a comprender los parámetros cinemáticos del funcionamiento del motor. 23 2. Armar la maqueta de un motor monocilíndrico que permita demostrar didácticamente la aplicación práctica de los cálculos que se deben realizar al diseñar el mecanismo biela-manivela. 3. Realizar pruebas de funcionamiento de la maqueta para calibrarla, comprobar su correcta operación y su utilidad al obtener datos y gráficos de la variación cinemática y geométrica de los componentes del mecanismo biela-manivela. 4. Elaborar el manual de uso y funcionamiento de la maqueta y las guías de prácticas correspondientes al equipo, para su correcta utilización en las prácticas de taller. 1.4. ALCANCE Esta maqueta sirve para fines educativos (realización de prácticas para aplicar conocimientos teóricos sobre cinemática aplicada en la geometría del motor) dentro de la Universidad Tecnológica Equinoccial en la Carrera de Ingeniería Automotriz. 24 2. MARCO TEÓRICO 2.1. MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA Un motor de combustión interna alternativo (MCIA) es una máquina térmica que genera su potencia al transformar la energía química obtenida por la violencia de la reacción química de un combustible en energía mecánica, como se muestra en la figura 1. Un MCIA necesita como entrada aire y combustible (energía química), además del aporte de sistemas auxiliares necesarios para su funcionamiento como son los sistemas de lubricación, refrigeración y eléctrico, y mecanismos en el interior del motor como sistema de distribución y mecanismos pistón-biela-manivela; como productos de salida final se obtiene la energía mecánica utilizable, además de residuos o productos de la ineficiencia como los gases de la combustión y calor cedido al medio. Figura 1. Diagrama de entradas y salidas de un MCI La obtención de la energía química ocurre por la combustión (HC + O2 à CO2 + H2O + energía), la cual sucede en una cámara cerrada dentro de la 26 misma máquina. La conversión de esta energía térmica se realiza mediante su transmisión a un medio de trabajo (motor) cuya presión aumenta y que realiza el trabajo cuando finalmente se expande (Bosch GmbH, Robert, 2005). Este proceso se realiza mediante un ciclo termodinámico, en el cual la energía interna del sistema no cambia y el calor transferido (obtenido mediante la combustión) se convierte en trabajo realizado por el sistema. En la figura 2 se observa cómo trabajan estos ciclos en relación al volumen y la presión del sistema. Figura 2. Ciclos Termodinámicos Otto y Diésel Gracias al ciclo termodinámico y el trabajo en general que realiza el motor se logra obtener ciertas características o propiedades, las cuales se pueden observar en la figura 3: Rendimiento (η).- Relaciona la potencia útil generada por el motor y la potencia absorbida. Régimen de giro ( ).- Es la velocidad angular del cigüeñal, es decir las revoluciones por minuto (rpm) a las que gira. 27 Potencia (P).- Es el trabajo que el motor es capaz de realizar en la unidad de tiempo a una determinada velocidad de giro; se mide generalmente en HP, CV, KW o PS. Par motor o torque (T).- Es el momento de rotación que actúa sobre el motor y determina su giro; se mide en N.m. Figura 3. Curvas características del motor (Mecánica Virtual, 2013) 2.1.1. SISTEMÁTICA DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Una vez comprendido el funcionamiento de un motor, se debe conocer su sistemática. La sistemática se refiere a la división de las diferentes máquinas de combustión, de acuerdo a su funcionamiento y las características de su proceso de trabajo. 28 Un motor de combustión interna (MCI) es aquel en el que el proceso de combustión del hidrocarburo para obtener energía se produce dentro del mismo; en este caso, el gas de combustión se utiliza directamente como medio de trabajo. Si la obtención de trabajo mecánico debe realizarse continuamente debe existir una secuencia cíclica (motor de émbolos) o continuada (turbomáquina) de absorción de calor, expansión (obtención de trabajo) y retorno del medio de trabajo a su estado de partida (proceso cíclico). Si el medio de trabajo se modifica durante la absorción de calor al usar una parte de sus componentes, el retorno al estado de partida solo se logra sustituyendo el medio de trabajo. En este caso se tiene un proceso abierto y un intercambio de gas en el funcionamiento cíclico, lo cual es la expulsión del gas de combustión y el suministro de una carga fresca. Cuando la formación de la mezcla se realiza fuera de la cámara de combustión, la mezcla de aire y combustible es relativamente homogénea en el momento del inicio de la combustión. Si el suministro de carburante se realiza directamente dentro de la cámara, al momento de la combustión la mezcla es heterogénea. Se produce un autoencendido cuando la mezcla se inflama al superar su temperatura de encendido durante la compresión o cuando se inyecta combustible en aire en condiciones propicias para que dicho combustible se inflame. Mientras que si el inicio de la combustión se da con ayuda de una chispa (bujía) se tiene un encendido por chispa. En la tabla 1 se observa esquemáticamente la sistemática de los motores de combustión. 29 Tabla 1. Sistemática de la máquina de combustión (Bosch GmbH, Robert, 2005) 2.1.2. CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Luego de conocer la clasificación general de una máquina térmica o motor, es necesario centrar el estudio en el motor de combustión interna, y conocer su clasificación específica. 1) Por el tipo de encendido, los MCIA se distinguen entre: Motores Otto.- Son motores de encendido provocado (MEP). Funcionan preferentemente con gasolina; la mezcla se puede formar tanto fuera de la cámara de combustión en sistemas de inyección indirecta (en el colector de admisión, antes de entrar a la cámara) como dentro de la cámara en sistemas de inyección directa; la combustión en el cilindro se produce por encendido por chispa. 30 Motores Diésel.- Se los denomina motores de encendido por compresión (MEC). Se impulsan con diésel o gasoil; la formación de la mezcla es interior directa o indirecta, en una precámara ubicada en la culata, y la combustión se da por el autoencendido del combustible provocado al inyectarlo en el aire comprimido que se encuentra a alta presión y temperatura dentro de la cámara (Bosch, 2010). 2) Por el modo de trabajar (forma de hacer renovación de carga) se dividen en: Motores de cuatro tiempos.- Tienen el cambio de gases “cerrado” (separado) y para que se cumpla un ciclo de trabajo son necesarias 4 carreras del pistón o 2 giros del cigüeñal. Sus ciclos se explican en la figura 4. Motores de dos tiempos.- El cambio de gases es “abierto” y necesita 2 carreras o 1 giro del cigüeñal para un ciclo de trabajo. Figura 4. Fases de un motor de 4 tiempos (MecánicaMotor, 2012) 31 3) Por el tipo de refrigeración pueden ser: Motores refrigerados por líquido Motores refrigerados por aire Figura 5. Motores refrigerados por líquido (A) y por aire (B) (Mecánica Virtual, 2013) 4) Según el movimiento del pistón se clasifican en: Motores de pistón con movimiento alternativo Motores de pistón rotativo Figura 6. Ciclos de pistón rotativo vs pistón alternativo (Fueltech, 2013) 32 5) En cuanto a la disposición de los cilindros los motores son: Motores de cilindros en línea Motores de cilindros opuestos u horizontales Motores de cilindros en V Figura 7. Disposición de los cilindros de un motor (GTZ, 1985). 2.2. PARÁMETROS GEOMÉTRICOS DEL MOTOR Para que un motor funcione adecuadamente, existen ciertos parámetros que se deben tener en cuenta para dimensionar adecuadamente su diseño. Los parámetros geométricos son aquellos que permiten definir la geometría básica de un motor de combustión interna alternativo (MCIA), es decir caracterizar geométricamente las dimensiones de los elementos más importantes. Estos parámetros se fijan al momento de diseñar un motor, lo cual condiciona su posterior funcionamiento. 1) Carrera del pistón (S).- Es el recorrido del pistón dentro del cilindro durante su movimiento alternativo, el cual va desde el punto muerto superior 33 (PMS) hasta el punto muerto inferior (PMI). La carrera (S) es el doble de la longitud de la manivela del cigüeñal (r), lo cual se expresa en la ecuación 1: [1] 2) Diámetro del cilindro (D).- Es el que caracteriza de mejor manera el tamaño de un motor, junto con la carrera; se lo llama también calibre. El diámetro del cilindro es ligeramente mayor al diámetro del pistón para permitir que éste se deslice dentro procurando una fricción mínima; sin embargo para efectos de cálculos se desprecia esa mínima diferencia y se consideran iguales ambos diámetros. 3) Relación carrera – diámetro (S/D).- Permite clasificar a los motores en tres tipos: alargados cuando el diámetro es mayor que la carrera, cuadrados cuando diámetro y carrera son iguales y supercuadrados cuando el diámetro del pistón es mayor que su carrera. Estas diferentes relaciones tienen ventajas y desventajas, las cuales se detallan en la tabla 2. Tabla 2. Ventajas e inconvenientes de los motores según la relación S/D (Payri & Desantes, 2011) En los MCIA, la relación carrera - diámetro permite relacionarse con el volumen de la cámara de combustión, como se indica en la figura 8. 34 Figura 8. Comparación entre cilindros de distinto S/D, con igual cilindrada y relación de compresión volumétrica (Payri & Desantes, 2011) Los valores más utilizados en las diferentes aplicaciones de los MCIA, los cuales son útiles para efectos de diseño de motores e influyen en el rendimiento de cada motor dependiendo de sus requerimientos, se muestran en la tabla 3. Tabla 3. Valores habituales para la relación carrera – diámetro (Payri & Desantes, 2011) 4) Longitud o radio de la manivela (r).- Se mide entre los centros del muñón de bancada y el muñón de biela. La manivela es el elemento que permite convertir el movimiento de la biela en una rotación alrededor del eje del cigüeñal. Se une en un extremo con la biela, de la cual recibe la fuerza por la expansión de los gases, y con el otro transmite el par de giro al cigüeñal. 35 5) Longitud de la biela (ℓ).- Es aquella que está entre el centro del muñón de biela en el cigüeñal y el centro del bulón en el pistón. Lo más conveniente sería que la longitud entre los centros de la biela sea mínima para reducir la altura del motor, pero también se debe considerar que la falda del pistón no choque con el cigüeñal en PMI. Para obtener el valor de lambda (λ), que es la relación entre la longitud de la biela (ℓ) con el radio del cigüeñal (r), se aplica la ecuación 2. [2] Este valor es adimensional y está establecido, por motivos de diseño que serán demostrados en esta tesis, entre 0.2 a 0.4. Estas dimensiones geométricas son las que se ven en la figura 9. Figura 9. Dimensiones: longitud de biela, radio de manivela (GTZ, 1986) Dónde: Radio de la manivela, semicarrera del pistón ℓ Longitud de la biela 36 ℓa Longitud del arco en el círculo del cigüeñal [3] S Carrera del pistón, diámetro de la manivela Recorrido del pistón (correspondiente al arco la) α Ángulo girado por el cigüeñal en grados β Ángulo de la biela en grados Velocidad de giro del cigüeñal D Diámetro del cilindro 6) Área del pistón (Ap).- Es el área sobre la que se ejerce la presión de los gases para obtener trabajo. La sección de las válvulas está limitada por este parámetro. Se obtiene mediante la ecuación 4. [4] 7) Volumen de la cámara de combustión (Vc).- Es el volumen mínimo que se alcanza al comprimir los gases en el cilindro cuando el pistón está en PMS. 8) Cilindrada (Vh, VH).- La cilindrada unitaria (Vh) es el volumen desplazado por el pistón dentro del cilindro cuando va desde el PMS al PMI, se calcula mediante la ecuación 5. [5] La cilindrada total (VH) del motor, calculada mediante la ecuación 6, es el volumen unitario por el número de cilindros; está directamente relacionada con la potencia del motor ya que define su capacidad para admitir aire. 37 [6] Figura 10. Dimensiones: área del pistón, volumen de la cámara de combustión, cilindrada, relación de compresión (GTZ, 1986) 9) Relación de compresión (ε).- Expresa las veces que se comprimió el volumen de aire o mezcla aire – combustible en el cilindro hasta ocupar el volumen de la cámara de combustión. En motores MEP (a gasolina) el valor no debe ser excesivo para evitar el autoencendido, mientras que en motores MEC (a diésel) debe ser el suficiente para producir autoencendido; estos valores se pueden ver en la tabla 4. [7] Tabla 4. Valores habituales para la relación de compresión (Payri & Desantes, 2011) 38 2.3. CONCEPTOS BÁSICOS DE CINEMÁTICA El siguiente tema que es necesario comprender para el estudio referido en esta tesis es la mecánica y cinemática. Dentro de la ciencia de la física, la mecánica es aquella parte que tiene por objeto estudiar el estado de movimiento de los cuerpos, buscar sus causas y establecer las leyes que rigen estos movimientos; la cual se divide en dos ramas: la cinemática y la dinámica. La cinemática es la parte de la mecánica que se ocupa de la descripción del movimiento de los cuerpos, en un espacio y tiempo determinados, sin tener en cuenta las causas que lo producen (Giancoli, 2002). Estudia problemas de trayectorias, posiciones, desplazamientos, velocidades, aceleraciones, etc, desde un punto de vista gráfico o analítico (Grupo de Investigación de Ingeniería Mecánica Aplicada y Computacional, 2006). La posición de una partícula en el espacio constituye una magnitud vectorial que permite establecer su localización dentro de un sistema coordenado de referencia. El desplazamiento de una partícula u objeto (Δx) es el cambio o variación de posición de éste hacia un punto x2 con respecto al punto inicial de referencia (x1), y está definido por la ecuación 8. – [8] Trayectoria es la línea que describe la partícula en su movimiento al ir ocupando distintas posiciones en el transcurso del tiempo. El tipo de trayectoria permite considerar dos tipos de movimiento: Movimiento rectilíneo, cuando la trayectoria es recta; 39 Movimiento curvilíneo, cuando la trayectoria es curva; un caso particular es el movimiento circular, en el que la trayectoria es una circunferencia (González Fernández, 2009). El movimiento rectilíneo es de dos tipos: Uniforme, cuando en espacios de tiempo iguales se recorren trayectos iguales; Variado, cuando en espacios de tiempo iguales se recorren trayectos de magnitudes distintas entre sí ya que la velocidad aumenta o disminuye (GTZ, 1985). En la figura 11 se pueden apreciar los dos tipos de movimientos. Figura 11. Movimiento uniforme y movimiento variado (GTZ, 1985) El movimiento alternativo es un tipo de movimiento variado ya que es un movimiento de ida y vuelta con velocidad variable. Esto ocurre en el caso del movimiento del pistón, el cual va de cero hasta una velocidad máxima para luego tener una desaceleración que lo lleva de nuevo a cero, como se puede ver en la figura 12. 40 Figura 12. Movimiento alternativo del pistón (GTZ, 1986) La velocidad expresa el cambio de posición del objeto o trayecto recorrido (Δx) con relación al tiempo empleado (Δt). Se expresa con la ecuación 9: [9] Cuando un objeto rígido tiene una trayectoria circular éste tiene velocidad angular, la cual se define como la relación del desplazamiento angular (Δθ) de un objeto rígido al intervalo de tiempo Δt durante el que se presenta el desplazamiento, y se expresa mediante la ecuación 10: [10] La aceleración se define como la rapidez de cambio de la velocidad (Δ ) de un cuerpo con respecto al tiempo. Está expresada en la ecuación 11: [11] 41 2.4. CINEMÁTICA DE MÁQUINAS Y MECANISMOS Al entender a qué se refiere la cinemática en general, se debe también conocer cómo se aplica a las máquinas y mecanismos. En el ámbito de la teoría de máquinas y mecanismos se diferencian el análisis y la síntesis de mecanismos. El análisis consiste en estudiar la cinemática y la dinámica de un mecanismo según las características de los elementos que lo constituyen. Por tanto, el análisis de un mecanismo permitirá, por ejemplo, determinar la trayectoria de un punto de una barra o una relación de velocidades entre dos miembros (Cardona Foix & Clos Costa, 2001). Una máquina es un conjunto de elementos que interactúan entre sí para aprovechar, regular o dirigir la acción de una fuerza. Estos dispositivos pueden recibir cierta forma de energía y transformarla en otra para generar un determinado efecto. Los elementos que constituyen las máquinas se llaman mecanismos. En función del número de mecanismos que conformen la máquina se distinguen dos tipos de máquinas: simples y compuestas. De acuerdo a sus fuentes de energía, las máquinas pueden clasificarse de distintas formas. Las máquinas manuales son aquellas cuyo funcionamiento requiere de la fuerza humana. Las máquinas eléctricas (como los generadores), en cambio, transforman la energía cinética en otra energía gracias a contar con circuitos magnéticos y circuitos eléctricos. Las máquinas hidráulicas y las máquinas térmicas, por su parte, utilizan fluidos. Entre los componentes de una máquina, suelen destacarse el motor (el dispositivo que permite generar la energía para el desarrollo del trabajo requerido), el mecanismo (los elementos mecánicos que transforman la energía portada por el motor) y el bastidor (una estructura rígida que enlaza 42 el motor y el mecanismo). El conjunto de máquinas se conoce como maquinaria (Real Academia Española, 2001). Un mecanismo se define como la combinación de cuerpos resistentes conectados por medio de articulaciones móviles para formar una cadena cinemática cerrada con un eslabón fijo y cuyo propósito es transmitir o transformar las fuerzas y el movimiento (Reuleaux, 1875). Una cadena cinemática es un conjunto o subconjunto de miembros de un mecanismo enlazados entre sí. Por ejemplo, la cadena de transmisión de un vehículo, el mecanismo pistón-biela-manivela, etc. Los miembros de una cadena cinemática se denominan eslabones (Cardona Foix & Clos Costa, 2001). La multiplicación de esfuerzo conseguida por ese mecanismo se denomina ventaja mecánica (Shigley & Uicker, 2001). Los mecanismos pueden clasificarse de acuerdo a distintas variables: * De acuerdo a la función pueden ser de transmisión o de transformación. * De acuerdo al movimiento que ocasionan pueden ser lineales o circulares. (Dpto. de Tecnología de Aragón, 2009). 2.4.1. MECANISMOS DE TRANSMISIÓN DE MOVIMIENTO Son mecanismos que transmiten el movimiento, fuerza y potencia de un punto a otro sin cambiar la naturaleza del movimiento, pueden ser de dos tipos: Mecanismos de transmisión lineal Mecanismos de transmisión circular 43 2.4.1.1. Mecanismos de transmisión lineal Un mecanismo de transmisión lineal es aquel en el que tanto el elemento de entrada como el de salida tienen movimiento lineal. Pueden ser poleas y palancas. a) Sistema de poleas Una polea es una rueda con una ranura que gira alrededor de un eje por la que se hace pasar una cuerda que permite vencer una resistencia R de forma cómoda aplicando una fuerza F. De este modo podemos elevar pesos hasta cierta altura. Es un sistema de transmisión lineal pues el movimiento de entrada y salida es lineal. Tenemos cuatro posibles casos que se observan en la figura 13: polea fija, polea móvil, polipasto potencial y polipasto exponencial. Figura 13. Tipos de sistemas de poleas (Wikipedia, 2011) 44 b) Palanca Es un sistema de transmisión lineal. La palanca es una barra rígida que gira en torno a un punto de apoyo o fulcro. En un punto de la barra se aplica una fuerza F, con el fin de vencer una resistencia R. La palanca se encuentra en equilibrio cuando el producto de la fuerza (F) por la distancia al punto de apoyo d (brazo de la fuerza) es igual al producto de la resistencia a vencer (R) por la distancia al punto de apoyo r (brazo de la resistencia). [12] Cuando la resistencia a vencer es mayor que la fuerza a aplicar se dice que la palanca tiene ventaja mecánica. Existen tres tipos de palancas, en función de la posición relativa entre fuerza, resistencia y punto de apoyo, como se ve en la figura 14. Figura 14. Tipos de palancas (Dpto. de Tecnología de Aragón, 2009) 45 2.4.1.2. Mecanismos de transmisión circular Un mecanismo de transmisión circular es aquel en el cual tanto el elemento de entrada como el de salida tienen movimiento circular La principal utilidad de este tipo de mecanismos radica en poder aumentar o reducir la velocidad de giro de un eje tanto cuanto se desee. Por ejemplo: el motor de una lavadora gira a alta velocidad, pero la velocidad del tambor que contiene la ropa, gira a menor velocidad. Es necesario, pues, este tipo de mecanismo. Para desempeñar su misión, las máquinas disponen de partes móviles encargadas de transmitir la energía y el movimiento de las máquinas motrices a otros elementos. Estas partes móviles son los elementos transmisores, que pueden ser directos e indirectos. a) Ruedas de fricción Son elementos de máquinas que transmiten un movimiento circular entre dos árboles de transmisión gracias a la fuerza de rozamiento entre dos ruedas que se encuentran en contacto directo. A este tipo de transmisión también se le conoce como transmisión por fricción. La relación de transmisión, expresada en la ecuación 13, es la relación de velocidades entre la rueda conducida o receptor (n2) y la rueda conductora o motriz (n1), o lo que es lo mismo, entre la rueda de salida y la rueda de entrada, por lo que la velocidad del eje de salida será mayor cuanto menor sea el diámetro de la rueda conducida. [13] Dónde: Relación de transmisión 46 n1 Velocidad rueda motriz (rpm) n2 Velocidad rueda conducida (rpm) D1 Diámetro rueda motriz (rpm) D2 Diámetro rueda conducida (rpm) b) Poleas con correa Se trata de dos ruedas situadas a cierta distancia, que giran a la vez por efecto de una correa. Las correas suelen ser cintas de cuero flexibles y resistentes. Las hendiduras de ambas poleas tienen el mismo tamaño y la correa entre ambas debe tener la tensión adecuada para que se transmita el movimiento. Existen multitud de tipos de correas siendo las más comunes la plana, cilíndrica, trapezoidal y eslabonada. Los diferentes sistemas de transmisión de movimiento mediante correas se muestran en la figura 15. Figura 15. Transmisión por correas (GTZ, 1986) 47 c) Engranajes Los engranajes son ruedas dentadas que encajan entre sí, de modo que unas ruedas transmiten el movimiento circular a las siguientes. El tamaño de los dientes de todos los engranajes debe ser igual. La transmisión de movimiento por engranajes es adecuada para transmitir grandes fuerzas porque los dientes de los engranajes no deslizan entre sí, por el contrario en la transmisión por ruedas de fricción y poleas con correa se produce un deslizamiento, aunque en ocasiones puede ser beneficioso para absorber cambios bruscos de velocidad como acelerones o frenadas. Hay diferentes tipos de engranajes, los cuales se pueden ver en la figura 16. Figura 16. Tipos de engranajes en función de la forma de sus dientes (Dpto. de Tecnología de Aragón, 2009) d) Piñones con cadena Este sistema de transmisión consiste en dos ruedas dentadas de ejes paralelos, situadas a cierta distancia la una de la otra, y que giran a la vez por efecto de una cadena que engrana a ambas. La relación de transmisión se calcula como en el caso de los engranajes. e) Tornillo sinfín y rueda Se trata de un tornillo que se engrana a una rueda dentada, cuyo eje es perpendicular al eje del tornillo. Por cada vuelta del tornillo sinfín acoplado al 48 eje motriz, la rueda dentada acoplada al eje de arrastre gira un diente. Este sistema tiene una relación de transmisión muy baja, es decir, es un excelente reductor de velocidad. Se emplea por ejemplo en las clavijas que tensan las cuerdas de las guitarras. El elemento motriz es el tornillo, nunca al revés, el sistema no es reversible. La relación de transmisión en este sistema es: siendo z el número de dientes de la rueda (Dpto. de Tecnología Cejarosu, 2005). 2.4.2. MECANISMOS DE TRANSFORMACIÓN DE MOVIMIENTO Este tipo de mecanismos transforman un movimiento circular en uno lineal, o a la inversa. Pueden ser de dos tipos: Mecanismos de transformación circular en lineal o a la inversa Mecanismos de transformación circular en lineal alternativo o a la inversa 2.4.2.1. Mecanismos de transformación circular en lineal En un mecanismo de transformación de movimiento circular en lineal, el elemento de entrada tiene movimiento circular, mientras que el elemento de salida tiene movimiento lineal, o a la inversa. a) Torno Es un cilindro que consta de una manivela que lo hace girar, de forma que es capaz de levantar pesos con menos esfuerzo. Se puede considerar como una palanca de primer grado cuyos brazos giran 360º. Es una palanca cuyo 49 punto de apoyo es el eje del cilindro, el brazo de la fuerza d es la manivela y el brazo de la resistencia r es el radio del cilindro. Como la longitud de la manivela es mayor que el radio del torno, la palanca tendrá ventaja mecánica. b) Piñón – cremallera Este sistema transforma el movimiento circular en rectilíneo por medio de dos elementos dentados: un piñón que gira sobre su propio eje y una barra dentada denominada cremallera. Los dientes pueden ser rectos o helicoidales. Cuando la rueda dentada gira, la cremallera se desplaza con movimiento rectilíneo tal como se indica en la figura 17; se trata de un mecanismo reversible. Se utiliza en columnas de taladradoras, sacacorchos, direcciones de automóviles, etc. Figura 17. Esquema del mecanismo piñón – cremallera (Santillana, 2013) c) Tornillo – tuerca Este sistema sirve como elemento de unión entre dos o más piezas. Pero, además posee unas características que le permiten que se pueda utilizar para transmitir el movimiento. Se compone de una varilla roscada y una pieza con un agujero roscado de la misma métrica o medida, como en la figura 18. Al girar la varilla, permaneciendo fija la tuerca, hace que esta 50 última se desplace en sentido longitudinal del eje, con lo que se consigue transformar un movimiento circular uniforme en otro lineal. También se trata de un mecanismo reversible. Un parámetro clave en este sistema es el paso, que es la distancia en milímetros entre vuelta y vuelta. Figura 18. Sistema de tornillo – tuerca utilizado en gatas mecánicas (Santillana, 2013) 2.4.2.2. Mecanismos de transformación circular en lineal alternativo Un mecanismo de transformación de movimiento circular en lineal alternativo es aquel en el que el elemento de entrada tiene movimiento circular, mientras que el elemento de salida tiene movimiento lineal alternativo, o a la inversa. a) Sistema biela – manivela Está formado una barra articulada por un extremo con una manivela y por el otro con un pistón que describe un movimiento alternativo. Al girar el eje, la 51 manivela transmite un movimiento circular a la biela que experimenta un movimiento de vaivén; este sistema también funciona a la inversa. Estos movimientos se observan en la figura 19. Fue fundamental en el desarrollo de la locomotora de vapor, y en la actualidad se utiliza en motores de combustión interna, limpiaparabrisas, máquinas herramientas, etc. Figura 19. Esquema del sistema biela – manivela (Santillana, 2013) b) Cigüeñal Es un sistema compuesto por la unión de múltiples manivelas en un mismo eje acopladas a sus correspondientes bielas, tal como se ve en la figura 20. Transforma un movimiento circular en los movimientos alternativos de vaivén desacompasados de las diferentes bielas. También puede transformar los movimientos de vaivén desacompasados de las diferentes bielas en un movimiento circular. Los cigüeñales son empleados en todo tipo de mecanismos que precisen movimientos alternativos sincronizados como por ejemplo los motores de los autos. 52 Figura 20. Esquema del cigüeñal (Santillana, 2013) c) Excéntrica Es una rueda que tiene una barra rígida unida en un punto de su perímetro. Su eje de giro no coincide con su eje geométrico, por lo que transforma el movimiento circular en rectilíneo alternativo. En la figura 21 se puede apreciar cómo funciona este mecanismo. Figura 21. Funcionamiento de una excéntrica (Dpto. de Tecnología Cejarosu, 2005) d) Leva Es un elemento mecánico que va sujeto a un eje y tiene un contorno con forma especial. De este modo, el giro del eje hace que el perfil o contorno de la leva tope, mueva, empuje o conecte una pieza conocida como seguidor. 53 Permite obtener un movimiento alternativo, a partir de uno circular; pero no nos permite obtener el circular a partir de uno alternativo (o de uno oscilante); es por tanto un mecanismo no reversible. Este mecanismo se emplea en motores de vehículos (para la apertura y cierre de las válvulas), programadores de lavadoras (para la apertura y cierre de los circuitos que gobiernan su funcionamiento), etc (Cabrera, 2013). Figura 22. Mecanismo leva – seguidor (Santillana, 2013) 2.4.3. OTROS MECANISMOS DE INTERÉS Aparte de los mecanismos de transmisión y transformación de movimiento, existen otros mecanismos entre los que se destacan los siguientes: a) Tornillo.- Es un plano inclinado, pero enrollado sobre un cilindro. Cuando se aplica presión y se enrosca, se multiplica la fuerza aplicada, cada filete de rosca hace de cuña, introduciéndose en el material con poco esfuerzo. Los parámetros básicos de un tornillo son el paso, que es la distancia entre vuelta y vuelta, y la métrica que es el diámetro del tornillo. 54 b) Plano inclinado.- Es una rampa que sirve para elevar cargas realizando menos esfuerzo. Cuanto menor sea la pendiente menor será la fuerza a aplicar y mayor el recorrido. c) Trinquete.- Es un mecanismo que sirve para dirigir el movimiento, permite a un engranaje girar hacia un lado, pero impide hacerlo en sentido contrario, ya que lo traba con dientes en forma de sierra. (Dpto. de Tecnología de Aragón, 2009). Todos los mecanismos existentes pueden ser utilizados de distintas maneras para conseguir variaciones de movimientos, tal como lo muestra la tabla 5. Tabla 5. Movimientos y mecanismos (Dpto. de Tecnología Cejarosu, 2006) 55 2.5. CINEMÁTICA DEL MECANISMO BIELA – MANIVELA Por último, nos centraremos en el tema principal, que es la aplicación y el estudio de la cinemática específicamente en el mecanismo biela – manivela del motor de combustión interna alternativo. Dentro del análisis de la cinemática del mecanismo biela – manivela se busca determinar las posiciones, velocidades y aceleraciones de los diferentes puntos del mecanismo. El MCIA genera un movimiento alternativo del pistón, ocasionado por la expansión de los gases de combustión, el cual se transforma en movimiento circular del cigüeñal mediante un sistema de biela – manivela como los de la figura 23. Figura 23. Sistema biela – manivela Se llama manivela o muñón de bancada a uno de los brazos del cigüeñal, el cual une el punto de apoyo (centro) y la muñequilla o muñón de biela (extremo del radio de giro del cigüeñal). La biela está articulada por su pie con el bulón del pistón y por su cabeza con su muñón. Su misión es transmitir la fuerza generada por los gases sobre el pistón hacia las manivelas del cigüeñal y viceversa. 56 Normalmente, el mecanismo biela – manivela está descentrado, por lo que el eje del cigüeñal no está en el mismo plano que el del cilindro o que el del bulón. El descentramiento se emplea principalmente para atenuar los choques del pistón contra las paredes del cilindro. Por otra parte, el descentramiento provoca que la inclinación de la biela sea diferente durante las carreras descendente y ascendente del émbolo, por lo cual el esfuerzo lateral que ejerce el pistón sobre las paredes del cilindro aumenta mientras más inclinada está la biela. La figura 24 muestra una de las situaciones más frecuentes, el bulón descentrado hacia la cara de empuje del pistón, la cual es en la que se apoya el pistón sobre el cilindro durante la carrera de expansión. Figura 24. Descentramiento del eje del bulón (Payri & Desantes, 2011) La ecuación para el descentrado relativo, el cual tiene valores establecidos en límites de diseño entre 0 a 0.15 es: k [14] 57 Donde es el desplazamiento del eje del cilindro con respecto al eje del cigüeñal y es el radio de la manivela. Ya que el valor del descentramiento es relativamente pequeño, se lo despreciará en los cálculos cinemáticos. En el estudio cinemático del mecanismo es usual trabajar con la velocidad angular media del cigüeñal, por lo que no se tiene en cuenta ni la irregularidad cíclica derivada de las variaciones del par motor ni los efectos transitorios como una aceleración o una parada (Payri & Desantes, 2011). La geometría simple de este mecanismo permite una aproximación directa al análisis exacto de la posición, velocidad y aceleración de su corredera (biela) con solo ecuaciones de trigonometría plana y escalares (Norton, 2009). Para determinar la velocidad y la aceleración que alcanza el pistón se debe determinar primeramente la ecuación de posición del pistón en función del ángulo girado por el cigüeñal. Figura 25. Esquema básico de biela – manivela (Porras & Soriano, 2011) 58 Dónde: ℓ Longitud de biela Radio de la manivela S Carrera del pistón Posición del pistón referida al punto muerto superior α Ángulo girado por el cigüeñal contado desde el punto muerto superior (PMS) β Ángulo que forma la biela con el eje del cilindro; oblicuidad de la biela θ Ángulo formado entre la biela y la manivela Observando la figura 25 se puede obtener la ecuación 15: [15] Por relaciones trigonométricas se puede sacar que despejando se puede obtener que y y ; . Reemplazando estas relaciones en la ecuación 15 se tiene que , y despejando x y ordenando se llega a: x = r*(1 – cos α) + ℓ *(1 – cos β) [16] (Payri & Desantes, 2011) En la ecuación 16, el desplazamiento del pistón (x) se expresa en función de α y de β pero necesitamos calcularlo solo en función del ángulo girado por el cigüeñal, por lo que es necesario proceder así: Al tener un lado común los triángulos cuyas hipotenusas son la biela y la manivela del cigüeñal se puede establecer que: 59 [17] Ya que λ es la relación entre la longitud de la manivela y la de la biela, que define la transformación del movimiento alternativo del pistón y el movimiento alternativo del cigüeñal, se tiene que: [18] De la ecuación anterior se obtiene β para cada posición α de la manivela, el cual tendrá su valor máximo cuando α sea de 90° y 270° (por simetría). Como , se sustituye senβ por su valor en función de α y se tiene que: [19] Sustituyendo este valor se tiene la expresión del desplazamiento del pistón en función del ángulo girado por la manivela, cuya ecuación es: [20] (Porras & Soriano, 2011) Ésta ecuación se puede expresar también por medio de un solo término, lo cual es útil al momento de representar el papel que juega la velocidad de giro del cigüeñal y sus armónicas como generadoras de vibraciones en el motor; además de que es una forma un poco más simplificada con la que se puede trabajar mejor. Aplicando el teorema del binomio, el cual establece que , a la expresión que se encuentra en el radical de la ecuación 20 tomando en cuenta que y , se tiene la siguiente expansión: [21] 60 En términos prácticos, si se trunca la expansión en el segundo término y teniendo en cuenta que el valor de λ en los motores modernos oscila entre 0,22 a 0,33, el error que se tendría sería de menos del 1%. Así, se reemplaza la ecuación 21 en la 20: , se reemplaza ℓ por , y se agrupa por factor común En virtud de ello, la ecuación del desplazamiento del pistón es: [22] La representación gráfica de la ecuación 22 en ejes cartesianos en los que en abscisas se tome el ángulo girado por el cigüeñal y en ordenadas el valor del desplazamiento angular del pistón, ofrece una gráfica (realizada en fooplot.com) como la que se presenta en la figura 26. Figura 26. Diagrama de desplazamiento del pistón 61 En el diagrama anterior se observa que para un movimiento angular de la manivela α=90°, el pistón recorre una longitud mayor que la mitad de la carrera. Esto significa que, si la velocidad de giro del cigüeñal es constante, para recorrer la primera mitad de la carrera el motor emplea un tiempo menor que para recorrer la segunda mitad. Se puede encontrar el ángulo girado por el cigüeñal en el instante que el pistón recorre la mitad de la carrera mediante el siguiente procedimiento: en la mitad de la carrera, porque ecuación de la posición del pistón ; lo cual se reemplaza en la y se despeja α, así: [23] La velocidad se calcula mediante la expresión ; es decir, hallando la derivada del espacio con respecto al tiempo. La ecuación anteriormente, también puede expresarse teniendo en cuenta que hallada , como en la ecuación 24: [24] 62 Como x está expresada en función de α y hay que calcular su derivada respecto al tiempo, se debe expresar . Considerando la velocidad angular del cigüeñal constante, se tiene que , por lo que se tiene la ecuación 25: [25] (Porras & Soriano, 2011) Ecuación en la que la velocidad angular del motor ω se expresa en rad/s. Como r es mucho más pequeño que ℓ y como tiene como valor máximo la unidad, es posible despreciar el término , por lo que la expresión puede considerarse que tiende a 1. Por lo tanto, la velocidad del pistón puede calcularse más fácilmente, de forma aproximada, mediante la ecuación 26: [26] Como , se puede expresar la velocidad mediante la ecuación 27: [27] Si en unos ejes cartesianos, en los que se toman en abscisas el ángulo girado por el cigüeñal y en ordenadas la velocidad del pistón, se obtiene la representación gráfica de la ecuación de la velocidad (ecuación 27), ésta ofrece una gráfica (elaborada en www.wolframalpha.com) como la que se representa en figura 27. 63 Figura 27. Diagrama de la velocidad del pistón La observación de la figura anterior indica que, tanto en el punto muerto superior (PMS) como en el punto muerto inferior (PMI), la velocidad del pistón es nula y que, a partir del PMS aumenta hasta llegar a un valor máximo que coincide con el instante en el que biela y manivela son perpendiculares, disminuyendo a continuación hasta que en el PMI se hace de nuevo nula. Se puede demostrar analíticamente que, en el instante que el pistón alcanza su velocidad máxima, la biela y la manivela están formando 90°, mediante el siguiente procedimiento: Primero debemos obtener los máximos de la ecuación mediante derivadas y luego despejar α: 64 ; se omite la raíz con signo negativo debido a que el coseno de un ángulo es positivo cuando su valor está entre 0º y 90º, lo cual es lo que buscamos. [28] Para comprobar que efectivamente se trata de un máximo, se encuentra la segunda derivada en la cual se reemplaza α; debe ser mayor que cero. Al obtener α se puede calcular β mediante la fórmula . Gracias a una de las propiedades de los triángulos obtenida por la geometría euclidiana, que dice que la suma interna de sus ángulos es igual a 180° (π radianes), se puede saber que θ=180°-α-β; lo cual, resolviendo, dará un resultado de 90°. Las variaciones de velocidad indican la existencia de aceleraciones, cuyo . valor vendrá dado por la derivada de la velocidad respecto al tiempo Como la expresión de la velocidad es función del ángulo girado por el cigüeñal, para poder derivar en función del tiempo se recurre a considerar: [29] Y como se expresó anteriormente ω = , derivado se llega a que: [30] (Porras & Soriano, 2011) 65 La representación gráfica de la ecuación 30, en unos ejes cartesianos en los que se toma en abscisas el valor del ángulo girado por el cigüeñal y en ordenadas el de la aceleración del pistón, ofrece una gráfica (realizada en www.wolframalpha.com) como la que se representa en la figura 28. Figura 28. Diagrama de la aceleración del pistón en función de los ángulos de rotación de la manivela El análisis de la gráfica anterior indica que: - El valor de la aceleración es cero cuando es máxima la velocidad del pistón, instante que coincide cuando biela y manivela son perpendiculares. - La aceleración tiene un máximo en el PMS, que corresponde con α=0°, cuyo valor es: [31] - La aceleración tiene un mínimo en el PMI, que corresponde a en el cual se tiene y , , cuyo valor es: [32] (Porras & Soriano, 2011) 66 3. METODOLOGÍA Para la construcción del banco de pruebas que demuestre la aplicación de los parámetros cinemáticos del motor en el mecanismo biela – manivela, se pensaron varias alternativas. Después de tener en cuenta diferentes variables se optó por realizar una maqueta utilizando un MCIA básico y realizarle los cortes necesarios al cilindro para poder observar el mecanismo interno, fabricar una estructura que cumpla la función de sostener dicho mecanismo y permitir su funcionamiento, acoplar un mecanismo para el movimiento del motor y adaptar un software que permita la obtención electrónica de los valores cinemáticos del motor. 3.1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL MOTOR Luego de analizar el costo, la disponibilidad y la facilidad de adaptación a la necesidad requerida, se optó por utilizar el bloque cilindro, el pistón con sus rines, la biela y el cigüeñal de un motor de una moto Suzuki modelo GN125 como el de la figura 29. Figura 29. Motor de Suzuki GN 125 68 Es un motor monocilíndrico de 4 tiempos, SOHC con 2 válvulas y refrigerado por aire; tiene una cilindrada de 124 cc y relación de compresión de 9.2:1; entrega una potencia máxima de 12.5 HP a 9 000 rpm y un torque de 8,92 N.m a 6 500 rpm. Los parámetros geométricos originales de este motor son: Radio de la manivela = 24 mm Longitud de la biela ℓ = 109 mm Relación radio – manivela (factor lambda) Diámetro del cilindro D = 57 mm Carrera del pistón S = 48 mm Relación --> motor supercuadrado 3.2. SISTEMA MECÁNICO 3.2.1. SELECCIÓN DE MATERIALES Para la selección de los materiales que se deben utilizar en cualquier trabajo es necesario tener en cuenta las siguientes consideraciones: Consideraciones dimensionales, de forma y peso (diseño) Consideraciones de resistencia mecánica Conocimiento de condiciones de operación 69 Resistencia al desgaste Facilidad y procedimientos de fabricación Requisitos de durabilidad Costos y disponibilidad Para conocer qué tipo de acero se debe utilizar, existen diversas clasificaciones de aceros según normas internacionales. Los materiales comúnmente utilizados en ingeniería se pueden clasificar de la siguiente manera: * Materiales metálicos.- Aleaciones ferrosas, aleaciones no ferrosas. * Materiales no metálicos.- Plásticos, cerámicos, materiales compuestos. Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en aceros y fundiciones de hierro (hierros colados). Los aceros, dependiendo de su contenido de carbono y de otros elementos de aleación, se clasifican en aceros simples, aceros aleados y aceros de alta aleación. Los aceros simples, también llamados aceros dulces o aceros al carbono, son una aleación de hierro con carbono con un contenido de éste último en el rango de 0.02% hasta el 2% y con pequeñas cantidades de otros elementos que se consideran como impurezas tales como P, S, Mn, Cu, Si, etc. (Díaz del Castillo Rodríguez, 2008). Sus propiedades dependen de la cantidad de carbono que contenga. Este es un acero maleable, de alta resistencia y baja aleación, dúctil, soldable, maquinable y barato. Sus principales aplicaciones son en estructuras, elementos de máquinas (ejes, resortes, engranes, etc.), tornillos y herramientas de mano. Dentro de los aceros existentes, tanto estructurales como comerciales, los aceros al carbono se usan forjados o en laminación. Para crear láminas de acero se puede hacer mediante el proceso de laminación en frío o en caliente. 70 El acero laminado en frío es más duro y resistente, tiene una terminación suave y gris, es más liviano, de mayor durabilidad al no estar dañado por el calor, y posee márgenes de tolerancia más precisos. Las características que debe cumplir el acero, las cuales están determinadas por las condiciones requeridas para este proyecto, son: Resistir esfuerzos de fatiga Tener bajo costo y facilidad de disponibilidad, fabricación y mantenimiento Tener buena soldabilidad y Poder ser resistente a la corrosión Se determinó que el acero que mejor cumple dichas especificaciones es el acero ASTM A-366. La especificación ASTM A-366 incluye bobinas y láminas de acero al carbono laminado en frío, de calidad comercial. Este material se recomienda para piezas tanto expuestas como protegidas, donde pueden estar involucrados estampados, deformaciones moderadas y soldaduras (ASTM, 2006-2013). Su composición química es: 0.02% a 0.15% de carbono, 0.60% máximo de manganeso, 0.03% máximo de fósforo y 0.035% máximo de azufre. Dentro de sus propiedades mecánicas, tiene un esfuerzo de fluencia de 2 530 kg/cm2 (250 MPa, 36 ksi), un esfuerzo mínimo de ruptura en tensión de 4 080 kg/cm2 a 5 620 kg/cm2 (400 a 550 MPa, 58 a 80 ksi) y una dureza máxima de 60 HBR. 3.2.2. DISEÑO DE LA MAQUETA Y SUS MECANISMOS Para empezar, se realizó un esquema general de la maqueta en AutoCAD, tal como lo muestra la figura 30 y un plano con el diseño que se encuentra en el anexo #I. 71 Figura 30. Esquema de la maqueta (incluido el motor eléctrico) Se eligió dicho diseño en base a criterios de facilidad de construcción, es decir que se buscó hacerla lo más práctica posible. Los mecanismos y estructuras necesarias para lograr la funcionalidad de la maqueta fueron: Un mecanismo para modificar la longitud de la biela, la cual deberá tener 2 medidas establecidas con la finalidad de poder comparar el comportamiento del motor entre estos 2 valores escogidos. Un mecanismo para levantar el cilindro cuando se alargue la biela, con el fin de mantener la posición inicial en la carrera del pistón. Un medio para darle movimiento al cigüeñal y permitir el funcionamiento del motor. Un instrumento para medir manualmente el ángulo que gira el cigüeñal, el cual debe encajar en el eje del cigüeñal y estar fijo a éste para que gire junto con el mismo. Un instrumento para medir la variación en la posición del pistón mientras recorre su carrera. 72 Una estructura que sirva como bancada del cigüeñal y bases para sostener todo el sistema. 3.2.3. MECANISMO PARA LONGITUD DE BIELA VARIABLE En base al diseño del mecanismo, el cual debe ser capaz de aumentar la longitud de la biela y mantenerla firme durante su funcionamiento, se realizó un corte en la biela y se necesitaron 2 placas de acero laminado en frío de especificación ASTM A-366 de 3 mm de espesor (debido a que debían ser lo suficientemente delgadas como para entrar en el perfil de la biela y lo suficientemente resistentes como para no deformarse), las cuales se limaron dándoles la forma interna del perfil de la biela, hasta obtener el acoplamiento buscado para ubicarlas a cada lado de la biela y así unir las 2 partes y mantener su firmeza. Cada placa tiene 4 perforaciones de 3mm de diámetro, 2 fijas y 2 deslizantes tipo “ojo chino” con una diferencia de 5mm entre sus centros, tal como lo muestran las figuras 31 y 33, y el plano del anexo #II, con el fin de permitir la variación de la longitud de la biela en 2 posiciones, manteniendo fijo un extremo de la biela y dejando que el otro se pueda deslizar desde el extremo superior de la perforación deslizante (longitud original o mínima) al extremo inferior de la misma (longitud máxima). Para la sujeción se utilizaron 4 tornillos de 3mm de diámetro y tuercas. Se decidió que la longitud cambie en 5 mm ya que al ser menor no serían apreciables los cambios y si fuera mayor, el valor del factor λ resultaría más bajo, además de que la biela podría rozar con las paredes del cilindro. 73 Figura 31. Esquema del mecanismo de longitud variable de la biela Figura 32. Perforaciones en las placas y la biela para variar su longitud 74 Figura 33. Mecanismo de longitud de biela variable 3.2.4. ALTURA VARIABLE DEL CILINDRO Considerando que, al aumentar la longitud de la biela también subirá la ubicación del PMS, se diseñó un mecanismo para subir 5mm la posición del cilindro cuando la biela sea también 5mm más larga. Para esto, tal como se ve en la figura 34, se colocaron 4 soportes hechos con tuercas en las bases de sujeción del cilindro, además de 4 aumentos de 5 mm que delimitan la altura que se debe variar. Figura 34. Ubicación de soportes para altura variable del cilindro y esquema de las piezas de aumento 75 3.2.5. MOVIMIENTO DEL CIGÜEÑAL Para darle el movimiento al cigüeñal se decidió utilizar un motor eléctrico. El primer parámetro a considerar fue que se necesitaba un motor DC ya que este tipo de motores es ideal para lograr un control electrónico de velocidades. Después se determinó la potencia mínima requerida, lo cual se realizó mediante la ecuación 33. [33] Dónde: P Potencia mínima requerida T Torque necesario Revoluciones a las que debe girar η Rendimiento Considerando que el peso del motor y sus mecanismos (el cual es de 4.5 kg) produce una fuerza de 44.1 N, se requiere un torque de 12.35 N.m (la distancia a la que estará ubicado el eje del motor eléctrico con respecto al eje del cigüeñal es de 280 mm). Se estableció la velocidad nominal de funcionamiento del motor en 200 rpm, para que sea una velocidad en la que se pueda apreciar el movimiento del mecanismo. Reemplazando estos datos en la ecuación 33 y estableciendo un rendimiento del motor de 80%, se obtuvo una potencia mínima requerida de 0.20 Hp. Se consiguió un motor eléctrico (figura 35), el cual funciona con corriente directa a 24 voltios, entrega una potencia de 150 watts y un torque de hasta 55 N.cm, tiene una caja reductora con una relación de 15:1 para lograr una velocidad de salida máxima de 200 rpm. 76 Figura 35. Motor eléctrico DC a 24v Está acoplado al cigüeñal mediante piñones y una cadena de distribución. Se eligió este mecanismo de transmisión de movimiento debido a que el cigüeñal ya tiene mecanizado un piñón en su eje; se buscó otro piñón para acoplarlo al eje del motor eléctrico, el cual tiene las mismas dimensiones que es piñón en el cigüeñal (16 dientes, 35mm de diámetro exterior, 23 mm de diámetro de fondo), logrando así una relación de transmisión de 1:1. Además, se utilizó un transformador para poder conectarlo a 110V y un circuito para variar las rpm de salida del motor eléctrico. 3.2.6. DISCO DE ÁNGULO DE GIRO Para medir manualmente el ángulo que va girando el cigüeñal, se colocó una catalina fija al eje del cigüeñal mediante un bocín y chavetas, la cual está marcada cada 30° e indica también el punto inicial de giro cuando el pistón está en el PMS (figura 36). 77 Figura 36. Disco indicador de ángulo de giro 3.2.7. ESCALA DE DESPLAZAMIENTO Para poder indicar la posición y el desplazamiento que tiene el pistón durante cada momento dentro del ciclo de funcionamiento se colocó una escala graduada con precisión de 1 mm, la cual está ubicada en una de las paredes del corte del cilindro del motor, tal como se observa en la figura 37. Figura 37. Escala de desplazamiento y corte del cilindro 78 3.2.8. BASE DE BANCADAS DE CIGÜEÑAL Y ESTRUCTURA DE LA MAQUETA Para las bases de bancada y la estructura de la maqueta se debe tener en cuenta, además de sus dimensiones, el peso del mecanismo y sus elementos, el cual es de aproximadamente 4.5 kg (10 lb). Las bases se realizaron con placas de acero de especificación ASTM A-366 de 3, 4 y 6 mm de espesor. La unión de dichas placas fue mediante pernos. Con ayuda de una cizalla se cortaron las placas de acero de acuerdo a las medidas exactas determinadas previamente e indicadas en los planos de los anexos #III y #IV realizados en AutoCAD, y los esquemas que se muestran en las figuras 38 y 39. Figura 38. Esquema de las placas para la estructura 79 Figura 39. Esquema de la estructura Luego se realizó perforaciones (figura 40) con brocas de ¼ plg de diámetro y de 5 mm de diámetro. Para darles la forma requerida, se empleó una dobladora para las placas pertenecientes al cárter (figura 41). Figura 40. Perforaciones a las placas de la estructura 80 Figura 41. Doblado de las placas Para las dos piezas que conforman la bancada del cigüeñal (figura 42) se fabricaron bocines de bronce fosfórico SAE 40 (resistencia a la corrosión y facilidad de maquinado) y portabocines de acero aleado con retenedores de caucho de nitrilo, los cuales se observan en la figura 43 y en el anexo #V en el cual se encuentra el plano de fabricación; los bocines son para evitar el desgaste del cigüeñal al momento del giro y los retenedores para evitar el derrame del lubricante que va dentro del “cárter” del motor. Figura 42. Bancada del cigüeñal 81 Figura 43. Portabocines con bocines y retenedores Además, para una correcta alineación, se rectificaron las superficies de apoyo de la bancada tal como lo muestra la figura 44. Figura 44. Rectificación de la superficie de la bancada del cigüeñal En la base de la maqueta a la altura donde está ubicado el cárter se puso un tapón (perno) para el vaciado del aceite. Para esto se realizó una perforación con broca de 9mm de diámetro y luego se hizo el proceso de roscado utilizando un machuelo, tal como lo muestra la figura 45, hasta dejarlo de 10 mm de diámetro x 1.5 mm de paso. 82 Figura 45. Machuelado del agujero para vaciar el cárter 3.2.9. MONTAJE DEL SISTEMA MECÁNICO DE LA MAQUETA En base al diseño realizado anteriormente, se procedió a montar el mecanismo biela – cigüeñal en las bancadas y el pistón en el cilindro y luego poner cada estructura en la base, siguiendo los planos de los anexos #I y #IV; después se acopló el motor eléctrico. 3.2.9.1. Unión de la estructura mediante suelda GMAW (MIG) Para la unión y refuerzo de ciertas partes de la maqueta se utilizó el método de unión mediante soldaduras (figura 46). 83 Figura 46. Soldadura de la maqueta La soldadura GMAW (soldadura por arco metálico bajo gas protector) utiliza un hilo (alambre) para soldar que se alimenta automáticamente a una velocidad constante; un gas protector, que en este caso fue el helio ya que se utilizó la suelda MIG, protege la soldadura de la atmósfera y evita la oxidación del metal base. Se genera un arco entre el metal base y el hilo, el calentamiento resultante funde éste proporcionando la unión de las placas base y dejando un cordón de soldadura como el de la figura 47. Figura 47. Unión por soldadura MIG Las ventajas de la soldadura GMAW - MIG, las cuales influyeron al momento de elegir el método de unión por soldadura, son las siguientes: 84 Fácil de aprender a utilizar el equipo Se puede soldar en todas las posiciones No produce escoria Buen acabado Poca formación de gases contaminantes y tóxicos Soldadura de buena calidad radiográfica Soldadura de espesores desde 0,7 a 6 mm sin preparación de bordes Alta productividad o alta tasa de metal adicionado Mínimo desperdicio Proceso semiautomático o automático (menos dependiente de la habilidad del operador) Mejor penetración lateral y mayor velocidad de soldeo (al utilizar helio como gas protector). 3.2.10. ACABADOS Una vez finalizado el armado de la maqueta, se vio la necesidad de aplicar tratamientos de acabado superficial para obtener una adecuada protección contra la corrosión además de darle el acabado estético. 3.2.10.1. Capa antioxidante Las piezas metálicas expuestas al medio ambiente (cilindro, pistón, biela y cigüeñal) necesitan un tratamiento para evitar su oxidación. Para esto se utilizó un producto desoxidante y fosfatizante de la marca Dual Etch. 85 Un antioxidante es aquel que previene la oxidación de los metales contra la acción que generan los ácidos y alcalinos, orgánicos e inorgánicos, sin que esto sea una protección anticorrosiva. El líquido desoxidante y fosfatizante que se usó es un tratamiento ácido para superficies de acero, chapa galvanizada, aluminio, zinc o cobre; destinado a eliminar óxidos ambientales y térmicos, además de mejorar el anclaje de la primera capa de pintura a aplicar. Contiene adicionalmente componentes desengrasantes que ayudaron a obtener una buena limpieza de la superficie tratada. También contiene sales de zinc que determinan la óptima composición y máxima adherencia de la capa de fosfatizado que se deposita (Sherwin - Williams Company, 2013). El desoxidante se aplicó diluido en agua. Para preparar la superficie primero se eliminó todo el óxido de hierro que se pudo sacar manualmente con lija; con un trapo humedecido en disolvente se sacaron los residuos de la limpieza anterior, las grasas y demás contaminantes y se dejó secar bien. El desoxidante se aplicó con una brocha, procurando que el producto penetre bien en el metal; luego de aplicar se dejó secar y se limpió con un trapo seco el polvillo que se formó por el fosfatizante. 3.2.10.2. Pintura electrostática En las placas metálicas que forman parte de la estructura de la maqueta se realizó un proceso de acabado mediante el recubrimiento por pintura electrostática o también llamada pintura en polvo para crear un acabado estético, uniforme y duradero en los metales, el cual se aprecia en la figura 48. 86 Figura 48. Pintura electrostática aplicada en las piezas Se eligió este tipo de acabado ya que es mucho más duradero que las pinturas líquidas y es un proceso respetuoso del medio ambiente porque no hay solventes que se evaporan en el aire o que vayan por el desagüe. Las ventajas que se tienen se ven reflejadas en la eficiencia de aplicación, el hecho de que no son inflamables, la reducción de área en el depósito siendo comparativo con las mismas proporciones de pintura líquida, la reducción de costos en la deposición de los residuos generados en el proceso, tiene un reciclaje del 95% de la pintura que no queda aplicada a la pieza, es menos peligrosa para la salud de los operarios en comparación con la pintura líquida y tiene una resistencia físico-química muy superior frete a impactos, rayones, dobleces y agentes químicos (Industrias GM, 2013). Las piezas que se iban a pintar se conectaron eléctricamente a tierra. El polvo seco compuesto por una mezcla homogénea de cargas minerales, resinas y pigmentos se roció sobre las piezas mediante una pistola con bajo amperaje y alto voltaje. Al rociar, las partículas de polvo cargadas son 87 atraídas con firmeza a la superficie de la parte puesta a tierra hasta que se derrita; el curado de la pintura electrostática sobre la pieza se realizó por medio de calor en un horno de curado, lo cual activó la reacción química del sistema de resinas dando como resultado una capa lisa y uniforme de pintura. 3.3. SISTEMA ELECTRÓNICO Una vez listo el sistema mecánico, es necesario complementar el funcionamiento de la maqueta mediante un control electrónico, el cual tendrá la función de controlar la velocidad del motor eléctrico y de sensar dicha velocidad, además de obtener los datos del motor para calcular el desplazamiento, la velocidad y la aceleración del pistón y graficar dichos parámetros. 3.3.1. SELECCIÓN DE ELEMENTOS A UTILIZAR Para la selección de los elementos electrónicos se tomó en cuenta la aplicación requerida, la disponibilidad y costo y la facilidad de programación y manipulación tanto de software como de hardware. Para lograr un software y hardware amigables con el usuario, de fácil entendimiento y óptima utilidad, además de simplificar la forma de programación debido a los conocimientos limitados sobre este tema y reducir la cantidad de elementos necesarios, se eligieron elementos conocidos dentro del área electrónica por cumplir dichas características. 88 El centro de control de todo el circuito electrónico se realizó utilizando una placa Arduino Mega (figura 49) y una Pantalla GLCD (figura 50) con panel touch (figura 52) para el control y visualización de funciones. 3.3.1.1. Arduino Mega Se decidió trabajar con Arduino debido a que es una plataforma de electrónica abierta para la creación de prototipos basada en software y hardware flexibles y fáciles de usar. Puede tomar información del entorno a través de sensores y puede controlar luces, motores y otros actuadores (Arduino, 2010). Ya que se requería un buen procesador para graficar de manera correcta las ecuaciones, se eligió la Arduino Mega, que es una placa microcontrolador basada en ATmeg1280, la más avanzada dentro de la gama Arduino. Tiene 54 pines de entradas/salidas (de los cuales 14 proporcionan salida PWM), 16 entradas digitales, 4 UARTS (puertos serie por hardware), un cristal oscilador de 16MHz, conexión USB, entrada de corriente, conector ICSP y un botón de reset. Figura 49. Placa Arduino Mega (Arduino, 2010) 89 3.3.1.2. Pantalla gráfica TFT LCD 3.2" Se eligió este tipo de pantalla para obtener una buena visualización de las gráficas. Una pantalla TFT-GLCD es una variante de la pantalla de cristal líquido (LCD) de matriz activa que usa tecnología de transistor de película delgada (TFT) para mejorar su calidad de imagen. La diferencia entre un LCD de caracteres y un LCD gráfico (GLCD) es que mientras el LCD de caracteres puede visualizar sólo caracteres alfanuméricos, el LCD gráfico puede visualizar los mensajes en forma de dibujos y mapas de bits. Figura 50. Display TFT GLCD 3.2” (SainSmart, 2010) Esta pantalla tiene una interfaz de 40 pines, además está diseñada con un lector de flash o tarjeta SD. Tiene un controlador SSD1289 que soporta una interfaz de datos de 8 y 16 bits. Entre sus características están: 320 x 240 pixeles, 16.000 colores, 3.2 pulgadas, amplio ángulo de visión. Para conectar la pantalla directamente a la placa Arduino se necesitó un adaptador o shield (figura 51), el cual trabaja a 3.3 voltios y es compatible tanto con la pantalla como con la placa y sus pines e interfaz de datos. Este 90 shield es un elemento ya diseñado por Arduino para facilitar la tarea de conexión de pantallas hacia la placa. Figura 51. Shield para TFT (SainSmart, 2010) 3.3.1.3. Panel touch Para evitar el uso de un teclado externo, se utilizó un panel touch incluido en la pantalla. El panel táctil es un fino panel autoadhesivo colocado sobre la pantalla gráfica. Es muy sensible a la presión de manera que un suave toque provoca algunos cambios en la señal de salida. Está compuesto por dos láminas rígidas transparentes, formando una estructura “sándwich” como la de la figura 53, que tienen una capa resistiva que no excede de 1kΩ en sus caras internas. Los lados opuestos de las láminas disponen de contactos para acceder a un cable plano. Para determinar la parte del panel que se presiona se deben encontrar las coordenadas X y Y. 91 Figura 52. Panel touch para GLCD 3.2” Para determinar la coordenada X, se conecta el contacto izquierdo de la superficie A a masa y el contacto derecho a la fuente de alimentación, esto permite obtener un divisor de tensión presionando el panel táctil. La tensión variará en el rango de 0 V a la tensión suministrada por la fuente de alimentación y depende de la coordenada X. Si el punto está próximo al contacto izquierdo de la superficie A, la tensión estará próxima a 0 V. Para la determinación de la coordenada Y, se conecta el contacto inferior de la superficie B a masa, mientras que el contacto superior se conecta a la fuente de alimentación. En este caso, la lectura de la tensión se hará en el contacto izquierdo de la superficie A (Reyes, 2008). Figura 53. Estructura interna del panel táctil (MikroElektronika, 2014) 92 3.3.1.4. Sensor de revoluciones Para obtener la velocidad a la cual gira el motor se utilizó un circuito en el cual se incluye el uso de un sensor de encoder óptico (figura 54) y un disco de encoder (figura 55), los cuales son los más utilizados en electrónica para estas aplicaciones, además del uso en conjunto de la placa Arduino y la pantalla GLCD. Hay dos tipos principales de encoders: absoluto e incremental (relativo). La salida de los encoders absolutos indica la posición actual del eje, convirtiéndolos en transductores de ángulo. La salida de los encoders incrementales, el cual es el tipo de encoder que se utilizó en este trabajo, proporciona información sobre el movimiento del eje, lo cual suele ser procesado adicionalmente en información como velocidad, distancia y posición (Arduino, 2014). El sensor está conformado por un optoacoplador, el cual es un dispositivo mediante el cual se obtiene un acoplamiento óptico y a la vez un aislamiento eléctrico; combina en una misma base un led que actúa de emisor y un fotodetector. Figura 54. Sensor de encoder con optoacoplador 93 Se acopló un disco ranurado al eje de salida del cigüeñal y se dispuso el optoacoplador de tal manera que éste recepte el haz de luz al pasar por cada ranura del disco, de esta manera se puede medir la frecuencia con la que la señal es emitida y así determinar la velocidad a la que gira el motor. Figura 55. Disco de encoder 3.3.1.5. Variador de revoluciones La velocidad de giro del motor eléctrico se controla gracias al circuito de mosfet visualizado en la figura 56 y un control electrónico por programación, el cual se encuentra detallado dentro del anexo #VI. El mosfet sirve para restringir o permitir el paso de tensión en forma controlada, mediante lo cual se varía el voltaje de entrada al motor para así variar las rpm de 0 a 200 gracias a 2 botones; el rango de voltaje va de 0 a 24V. 94 Figura 56. Mosfet variador de tensión 3.3.2. ARMADO DEL CIRCUITO Los circuitos necesarios en el proyecto, diseñados primeramente en Proteus, fueron un circuito de mosfet (figura 57) para controlar la velocidad del motor eléctrico y un circuito rectificador de corriente (figura 58) para el transformador. Además, se realizaron todas las conexiones de cada elemento hacia la placa Arduino tal como lo muestra la figura 59, las cuales están determinadas dentro de la misma programación (indica a qué pin va conectada cada señal de entrada y salida). Figura 57. Circuito mosfet para variación de tensión 95 Figura 58. Circuito transformador y rectificador de tensión Figura 59. Conexión de elementos a la placa Arduino 96 3.3.3. PROGRAMACIÓN El programa realizado para este proyecto tiene la función de recibir la señal, leer y traducir los datos obtenidos mediante el sensor encoder y con esa información obtener, mediante las fórmulas correspondientes, los respectivos valores y gráficas de desplazamiento, velocidad y aceleración del pistón en base al ángulo medido. Además, determina el funcionamiento de la pantalla táctil y recibe y envía los pulsos para controlar la variación de velocidad del motor eléctrico. La programación en lenguaje y plataforma Arduino tiene varios elementos y partes principales. La parte de código representada como void setup() se ejecuta una sola vez cuando comienza el programa. Es el método encargado de recoger la configuración. La función void loop() se ejecuta de forma ininterrumpida, una y otra vez. Con este bucle se logra que el programa responda ante los distintos eventos que se produzcan. Las llaves { } delimitan bloques de código como funciones, sentencias if, etc, marcando el comienzo y el fin del mismo. El punto y coma se emplea para poner fin a una declaración, o limitar los distintos elementos que constituyen un bucle for. (rDuinoStar, 2012). El código completo del programa, así como la estructura del mismo, se detallan en el Anexo #VI. 97 3.4. PRUEBAS DE FUNCIONOMIENTO A lo largo de todo el tiempo que se estuvo desarrollando el proyecto, se realizaron diversas pruebas para verificar el correcto funcionamiento de la maqueta, las cuales se detallan en la tabla 6: Tabla 6. Pruebas realizadas en la maqueta PRUEBA Alineación de montaje Movimiento manual de mecanismo Fugas Movimiento con motor eléctrico Sujeción a la base Funcionamiento de sensores y circuitos Efectividad de programación Obtención de gráficas 1RA 2DA 3RA O P P O P P O P P O O P P P P P P P O P P O P P (O) No pasa (P) Pasa Al finalizar el proyecto (costos del cual se encuentran detallados en el anexo # VIII) se construyó un banco de pruebas funcional y didáctico, que es el que se encuentra en la figura 60 y se puede observar más detalladamente en el anexo # VII, en el cual se puede observar y entender de manera práctica la 98 influencia de parámetros cinemáticos en el diseño de un motor de combustión interna alternativo y su mecanismo biela – manivela. Figura 60. Maqueta terminada Una vez terminada la maqueta, se realizaron las pruebas finales de funcionamiento general, en las cuales se probó cómo trabaja el sistema mecánico en conjunto con el software, obteniéndose los siguientes resultados: Primeramente se midió manualmente el desplazamiento del pistón en función del ángulo girado por el cigüeñal, ubicando la longitud de la biela en ℓ1 = 109 mm, y después se comparó los valores medidos con los valores obtenidos por software; los datos recopilados son los de la tabla 7. Debido a que la tolerancia de la escala para medición manual es de 1 mm mientras que la tolerancia de las mediciones de software es de 0.01 mm, existen pequeñas variaciones entre dichos valores. 99 Tabla 7. Datos de posiciones (x) del pistón en función del ángulo girado por el cigüeñal (α) medidos manualmente y comparados con los obtenidos mediante software xmanual xsoftware (mm) (°) (mm) 0 0 0 4 30 3.87 14 60 13.97 27 90 26.62 387 120 37.96 46 150 45.43 48 180 48 47 210 46.46 39 240 38.02 28 270 26.70 15 300 14.04 4 330 3.92 0 360 0 El banco de pruebas permite variar las revoluciones del motor y el ángulo girado por el cigüeñal, por lo cual las gráficas y los valores individuales que se obtienen también varían en relación a este parámetro. En este motor, para una velocidad angular de 200 rpm (elegida como muestra) y valores de relación biela – manivela ( ) de 0.22 y 0.21 obtenidos al variar ℓ en las 2 medidas establecidas ( ), se calcularon los datos detallados en la tabla 8: 100 Tabla 8. Datos de la maqueta a 200 rpm obtenidos por software Además, las gráficas obtenidas mediante el software son las visualizadas en las figuras 61, 62 y 63. La gráfica de desplazamiento muestra una curva simétrica en la que se observa que para un ángulo del cigüeñal de 90º el pistón ha recorrido un poco más de la mitad de su carrera y a los 180º (PMI) ya ha completado el recorrido de ida por lo que desde ese punto comienza a descender hasta llegar a 0 mm en los 360º (PMS). Figura 61. Gráfica de desplazamiento obtenida por software 101 La gráfica de velocidad muestra cómo la velocidad máxima alcanzada por el pistón se da antes de que el cigüeñal haya girado 90º mientras que a los 180º la velocidad es 0. Figura 62. Gráfica de velocidad obtenida por software La gráfica de aceleración muestra una curva en la que se observa que la aceleración es máxima cuando el pistón está en su PMS (0º y 360º) mientras que la aceleración mínima se da a los 180º, la aceleración es nula antes de los 90º, lo cual coincide con el punto de máxima velocidad. Figura 63. Gráfica de aceleración obtenida por software 102 4. RESULTADOS 4.1. MANUAL DE USO Y FUNCIONAMIENTO DE LA MAQUETA Asegúrese de leer este manual antes de manipular la maqueta, incluida la sección de precauciones y seguridad. La lectura de este manual le ayudará a utilizar el equipo correctamente. 4.1.1. COMPONENTES DEL EQUIPO La maqueta cuenta con las siguientes partes: Cilindro, pistón, biela de longitud variable y cigüeñal de un motor de moto Motor eléctrico con transformador, variador y cable para conexión a AC Cadena de distribución Cuatro (4) aumentos para bases del cilindro Regla para medición de desplazamiento del pistón Disco para medición de ángulo de giro del cigüeñal Placa Arduino con pantalla GLCD y adaptador para conexión a AC Sensor de rpm y de ángulo de giro (encoder) 4.1.2. PRECAUCIONES Y SEGURIDADES Este es un equipo que consta de una parte mecánica y una parte electrónica; se requiere de una manipulación cuidadosa de sus elementos, además de los siguientes cuidados: 104 Sistema de control electrónico y eléctrico Colocar la maqueta en un lugar seguro y estable. No someterla a fuertes golpes. No dejar a la intemperie. Mantener limpios los elementos electrónicos. No someter los cables a tensión o corte. Sistema Mecánico Aceitar las paredes del cilindro y demás partes móviles cada vez que se va a utilizar la maqueta. Purgar el aceite del cárter cada cierto tiempo para evitar impurezas que puedan dañar el mecanismo. Leer el manual de usuario antes de manipular el equipo. 4.1.3. ESQUEMA Y DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA Figura 64. Esquema de la maqueta y sus partes 105 •Sensor de rpm •Botones variadores de rpm •Botón touch para selección de ℓ. •Botones touch para variación de . Proceso •Circuitos •Programación Entradas •Control de velocidad •Valor de rpm •Ángulos •Valores de x,v y a •Gráficas Salidas Figura 65. Descripción del proceso de funcionamiento 4.1.4. ENCENDIDO Y APAGADO Encendido Primero, conectar el adaptador de la placa Arduino y el transformador del motor eléctrico a una toma de corriente de 110V. Activar el switch para encender el motor. Empezar a subir o bajar las rpm del motor utilizando los botones asignados. Apagado Al finalizar las prácticas, desactivar el switch del motor y desconectar todo el sistema eléctrico. 106 4.1.5. MANEJO DEL PROGRAMA Al momento de encender la placa Arduino, la pantalla de inicio (figura 66) pide presionar el botón [Sel], el cual cambia la gráfica que se va a visualizar: permite ver gráficas de desplazamiento, velocidad y aceleración del pistón. Figura 66. Pantalla de inicio El botón [Drw] se emplea en el caso de que se necesite resetear la gráfica dinámica para evitar la doble línea que se puede formar al variar las rpm. El botón de Longitud [L] permite cambiar dicho parámetro para efectos de cálculos y gráficas; se puede escoger trabajar con L1=109mm o L2=114mm. El programa también indica f(x) que es el valor de desplazamiento, velocidad o aceleración del pistón correspondiente al ángulo indicado, el cual varía utilizando los botones [+] y [–]. En la pantalla se puede visualizar las rpm a las que está girando el motor, las cuales son variables gracias a los botones físicos indicados en la figura 67. 107 Figura 67. Botones variadores de rpm 4.1.6. UTILIZACIÓN DE LA MAQUETA MEDIANTE FUNCIONAMIENTO MANUAL La escala de desplazamiento y el disco de ángulo de giro están ubicados para efectos de cálculo de desplazamiento del pistón sin utilizar el software. Para esto debe estar desconectado todo el sistema por motivos de seguridad. Luego se fija la longitud de la biela en el valor que se quiera trabajar (máximo o mínimo), aflojando los tornillos hasta que se pueda modificar este parámetro y volviendo a ajustarlos bien. El motor se debe girar en sentido horario, moviendo el disco graduado en este sentido. Observar a qué valor de desplazamiento en la escala corresponde el ángulo girado en el disco (debido al juego existente en el giro del cigüeñal, para una mejor medición se debe fijar el ángulo y después mover el disco un poco a la izquierda). La escala tiene una tolerancia de 1mm y el disco de 30º. Se puede comprobar estos valores utilizando el software, lo cual tiene un margen de error de ± 0.05 mm. 108 4.1.7. PRUEBAS DE TALLER En la maqueta se pueden realizar las siguientes pruebas: Medición manual del desplazamiento del pistón con respecto al ángulo girado por el cigüeñal. Obtención, mediante software, de valores de desplazamiento, velocidad y aceleración en relación al ángulo girado por el cigüeñal. Obtención de gráficas de desplazamiento, velocidad y aceleración del pistón. Variación de las rpm del motor. Variación de la relación biela – manivela (factor λ), variando la longitud de la biela. 109 4.3. GUÍAS PARA PRÁCTICAS EN EL TALLER UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA INGENIERÍA AUTOMOTRIZ Autor: Juliana Reyes Fecha: Enero-2015 PRÁCTICA Nº 01 “COMPORTAMIENTO DEL DESPLAZAMIENTO DEL PISTÓN DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA” 1. OBJETIVOS Objetivo General: Medir y determinar de manera práctica la posición del pistón y comprender la influencia de este parámetro cinemático en el diseño y funcionamiento del motor. Objetivos Específicos: Medir la posición del pistón mediante el funcionamiento manual. Obtener los datos y las gráficas de posición del pistón con las 2 diferentes medidas de la longitud de biela. Comparar el comportamiento de las gráficas obtenidas. Determinar y analizar las variaciones en dichas gráficas. 2. BASES CONCEPTUALES Cinemática del Motor.- Analiza el movimiento de los elementos del motor (sin considerar las fuerzas que actúan sobre este). Posición del Pistón.- Es la localización del pistón en cada punto que recorre durante su trayectoria. 110 Factor Lambda.- Es la relación entre el radio de la manivela y la longitud de la biela. 3. MATERIAL Maqueta 4. MÉTODO Medir manualmente la posición en función al ángulo girado, moviendo el disco graduado en sentido horario y observando el desplazamiento en la escala. Conectar el motor eléctrico y el módulo de control Arduino. Encender el switch del motor eléctrico. Escoger en la pantalla la gráfica que se quiere visualizar (desplazamiento). Definir el valor de ℓ con el que se va a trabajar. Con los botones correspondientes, empezar a variar las rpm del motor. Variar los ángulos para determinar los valores de posición correspondientes. Observar los cambios en las gráficas y en los valores al variar tanto las rpm como el valor de ℓ. Apagar todo el sistema. Anotar todos los datos y sacar conclusiones. 5. CUESTIONARIO DE INVESTIGACIÓN Describa los cambios en las gráficas en base a la variación del factor lambda. Describa los cambios en las gráficas en base a la variación de las rpm del motor. ¿Qué ángulo ha girado el cigüeñal cuando el pistón está en la mitad de su carrera? 6. BIBLIOGRAFÍA Payri, F., & Desantes, J. M. (2011). Motores de Combustión Interna 111 Alternativos. Valencia: Reverté. Porras, A., & Soriano, M. L. (s.f.). Universidad de Castilla - La Mancha. Recuperado el 10 de diciembre de 2012, de http://www.uclm.es/profesorado/porrasysoriano/motores/temas/cinem atica_y_dinamica.pdf UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA INGENIERÍA AUTOMOTRIZ Autor: Juliana Reyes Fecha: Enero-2015 PRÁCTICA Nº 02 “COMPORTAMIENTO DE LA VELOCIDAD DEL PISTÓN DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA” 1. OBJETIVOS Objetivo General: Determinar de manera práctica la velocidad del pistón y comprender la influencia de este parámetro cinemático en el diseño y funcionamiento del motor. Objetivos Específicos: Obtener los datos y las gráficas de velocidad del pistón con las 2 diferentes medidas de la longitud de biela. Comparar el comportamiento de las gráficas obtenidas. Determinar y analizar las variaciones en dichas gráficas. 2. BASES CONCEPTUALES Cinemática del Motor.- Analiza el movimiento de los elementos del motor (sin 112 considerar las fuerzas que actúan sobre este). Velocidad del Pistón.- Expresa el desplazamiento del pistón en función del tiempo empleado. Velocidad Angular del Motor (ω).- Es el régimen (revoluciones por minuto) al cual opera el motor. Factor Lambda.- Es la relación entre el radio de la manivela y la longitud de la biela. 3. MATERIAL Maqueta 4. MÉTODO Conectar el motor eléctrico y el módulo de control Arduino. Encender el switch del motor eléctrico. Escoger en la pantalla la gráfica que se quiere visualizar (velocidad). Definir el valor de ℓ con el que se va a trabajar. Con los botones correspondientes, empezar a variar las rpm del motor. Variar los ángulos para determinar los valores de velocidad correspondientes. Observar los cambios en las gráficas y en los valores al variar tanto las rpm como el valor de ℓ. Anotar todos los datos y sacar conclusiones. Apagar todo el sistema. 5. CUESTIONARIO DE INVESTIGACIÓN Describa los cambios en las gráficas en base a la variación del factor lambda. Describa los cambios en las gráficas en base a la variación de las rpm del motor. ¿Qué ángulo ha girado el cigüeñal en el momento en el que la biela y la manivela están perpendiculares? ¿Cuál es la velocidad máxima del pistón? 113 ¿Cuál es el valor máximo del ángulo β? ¿Cuál es la velocidad máxima de diseño de un pistón y por qué? 6. BIBLIOGRAFÍA Payri, F., & Desantes, J. M. (2011). Motores de Combustión Interna Alternativos. Valencia: Reverté. Porras, A., & Soriano, M. L. (s.f.). Universidad de Castilla - La Mancha. Recuperado el 10 de diciembre de 2012, de http://www.uclm.es/profesorado/porrasysoriano/motores/temas/cinem atica_y_dinamica.pdf UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA INGENIERÍA AUTOMOTRIZ Autor: Juliana Reyes Fecha: Enero-2015 PRÁCTICA Nº 03 “COMPORTAMIENTO DE LA ACELERACIÓN DEL PISTÓN DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA” 1. OBJETIVOS Objetivo General: Determinar de manera práctica la aceleración del pistón y comprender la influencia de este parámetro cinemático en el diseño y funcionamiento del motor. Objetivos Específicos: Obtener los datos y las gráficas de aceleración del pistón con las 2 diferentes medidas de la longitud de biela. 114 Comparar el comportamiento de las gráficas obtenidas. Determinar y analizar las variaciones en dichas gráficas. 2. BASES CONCEPTUALES Cinemática del Motor.- Analiza el movimiento de los elementos del motor (sin considerar las fuerzas que actúan sobre este). Aceleración del Pistón.- Es el ritmo con el que cambia la velocidad del pistón. Velocidad Angular del Motor (ω).- Es el régimen (revoluciones por minuto) al cual opera el motor. Factor Lambda.- Es la relación entre el radio de la manivela y la longitud de la biela. 3. MATERIAL Maqueta 4. MÉTODO Conectar el motor eléctrico y el módulo de control Arduino. Encender el switch del motor eléctrico. Escoger en la pantalla la gráfica que se quiere visualizar (aceleración). Definir el valor de ℓ con el que se va a trabajar. Con los botones correspondientes, empezar a variar las rpm del motor. Variar los ángulos para determinar los valores de posición, velocidad o aceleración. Observar los cambios en las gráficas y en los valores al variar tanto las rpm como el valor de ℓ. Anotar todos los datos y sacar conclusiones. Apagar todo el sistema. 5. CUESTIONARIO DE INVESTIGACIÓN Describa los cambios en las gráficas en base a la variación del factor lambda. 115 Describa los cambios en las gráficas en base a la variación de las rpm del motor. ¿Cuál es la aceleración máxima? ¿Cuál es la aceleración mínima? 6. BIBLIOGRAFÍA Payri, F., & Desantes, J. M. (2011). Motores de Combustión Interna Alternativos. Valencia: Reverté. Porras, A., & Soriano, M. L. (s.f.). Universidad de Castilla - La Mancha. Recuperado el 10 de diciembre de 2012, de http://www.uclm.es/profesorado/porrasysoriano/motores/temas/cinem atica_y_dinamica.pdf 116 4.4. ANÁLISIS DE RESULTADOS En base a los datos obtenidos mediante el banco de pruebas, los cuales se encuentran detallados en las tablas 7 y 8, y explicados en el capítulo 3.4, se obtuvieron los siguientes resultados con respecto a los parámetros cinemáticos y geométricos de un motor. 4.4.1. DESPLAZAMIENTO, VELOCIDAD Y ACELERACIÓN Se demostró que la variación de la velocidad angular del motor no afecta al desplazamiento del pistón, mientras que sí lo hace sobre la velocidad y la aceleración del mismo. Por otro lado, al modificar la geometría del mecanismo biela-manivela variando la longitud de la biela, se observa que el desplazamiento también cambia su relación de variación; es decir que mientras más corta es la biela menos tiempo se demora en realizar el recorrido de bajada, por lo que se tiene un motor más eficiente en los tiempos de admisión y trabajo. La velocidad máxima del pistón, tomando en cuenta los parámetros cinemáticos únicamente, está determinada por la geometría del mecanismo biela – manivela, y la longitud de la biela está limitada por razones constructivas ya que ésta debe ser como mínimo mayor al radio de la manivela. Al aumentar la velocidad media crecen también las aceleraciones lo cual tiene efectos dinámicos sobre los pistones que pueden provocar roturas. 4.4.2. RELACIÓN BIELA – MANIVELA (FACTOR λ) En base a las pruebas de funcionamiento, se determinó que mientras mayor es el factor lambda, la velocidad máxima del pistón está más cerca de =90°. Después de la observación del funcionamiento de la maqueta y del análisis de los datos obtenidos, se comprobó que la relación biela–manivela determina la forma de la evolución del movimiento del pistón con respecto al giro del cigüeñal; esto define y condiciona la transformación entre el movimiento alternativo del pistón y el rotativo del cigüeñal. Estos datos son muy útiles no solo al momento de diseñar un nuevo motor, sino también para modificar motores ya existentes mejorando así su rendimiento. Para esto es necesario poner mucha atención a cada parámetro geométrico y cinemático dependiendo del resultado que se quiere obtener, ya que cada modificación afectará al funcionamiento en conjunto del motor. 4.4.3. CINEMÁTICA Y MECANISMO BIELA - MANIVELA Los parámetros geométricos del mecanismo biela – manivela influyen directamente en la velocidad alcanzada por el pistón; los problemas que aparecen por una elevada velocidad del pistón afectan sobre todo a la lubricación de los cilindros y a la selección de materiales (tanto para los cilindros como para los pistones) que deben ser resistentes especialmente al desgaste. 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 5.1. CONCLUSIONES Estudiar el mecanismo biela – manivela desde el punto de vista cinemático; es decir, determinar las posiciones, velocidades y aceleraciones de sus diferentes puntos, sirve como un paso previo para realizar el estudio dinámico, en el cual se determinan las fuerzas y momentos aplicados sobre los distintos componentes del motor. A su vez, la dinámica sirve de base para realizar cálculos de resistencia mecánica de componentes, fricción, lubricación, vibraciones y equilibrado del motor. Cuanto menor sea λ, menor será la fuerza lateral del pistón sobre la pared del cilindro, con lo que se puede reducir la falda del mismo y así su masa; por otro lado aumenta la longitud de la biela y con ello su masa, que al estar sometida a un movimiento alternativo provoca un aumento de las fuerzas de inercia. Si se reduce estas fuerzas disminuyendo la longitud de la biela, λ aumenta y las fuerzas laterales del pistón sobre el cilindro también. Si se busca variar la geometría del motor reduciendo el radio de la manivela se obtendrá un motor con carrera corta, el cual admite girar a elevadas rpm sin que el pistón suba excesivamente de velocidad; esto permite disponer de buena potencia, sin embargo el reducido codo del cigüeñal no ofrece elevados valores de par a bajas y medias rpm. El análisis previo, tanto de materiales como de diseño y funcionamiento, facilitó el desarrollo del trabajo al evitar reprocesos y gastos innecesarios. Al realizar la maqueta, se mejoraron las destrezas en el uso de máquinas y herramientas, así como se profundizaron los conocimientos sobre electricidad, electrónica y programación básica. 120 Se determinó que para accionar sistemas mecánicos en los que se requiera trabajar con variación de velocidades y buen torque es necesario utilizar motores de corriente continua, preferentemente con caja reductora. Debido a la poca variación en el factor λ, las diferencias en los valores de posición, velocidad y aceleración no son perceptibles en las gráficas; sin embargo sí se puede apreciar en los valores obtenidos por cálculo. En base a las pruebas de funcionamiento, se demostró la construcción de un sistema amigable con el usuario, el cual facilita su uso en prácticas y mejora la comprensión de la importancia de la cinemática dentro del diseño, construcción y modificación de un MCIA, así como también constituye un paso previo al estudio de su influencia dentro de la dinámica. 121 5.3. RECOMENDACIONES Las variaciones en la aceleración de los mecanismos del motor producen en éste fuerzas y vibraciones que son necesarias considerar. En el estudio dinámico y en el equilibrado se deben tomar en cuenta las fuerzas de inercia de las masas en movimiento, por lo que influye aquí la velocidad y aceleración del mecanismo biela – manivela. Manipular con cuidado el equipo, y hacerlo después de haber recibido los conocimientos teóricos necesarios sobre cinemática del motor, para evitar daños en el sistema de control electrónico y en el sistema mecánico, y de esta manera evitar la causa de accidentes por mala manipulación. Como complemento al proyecto realizado se sugiere la ejecución de un proyecto enfocado a la dinámica del motor para poder medir las fuerzas ejercidas durante su funcionamiento. Los parámetros cinemáticos de un motor son importantes no solo en el diseño, sino también en el trucaje de motores, por lo que es importante tener en cuenta la influencia de la modificación de la geometría del mecanismo en la dinámica, el funcionamiento y la resistencia de los materiales a los esfuerzos del motor. 122 ANEXOS 124 125 126 127 128 ANEXO # VI PROGRAMA EN ARDUINO Primero se debe llamar e inicializar las librerías que se van a activar: Después se declaran (crean) las variables: 129 Se inician las subrutinas: 130 Y se empieza a ejecutar el programa principal: 131 132 133 134 135 136 137 ANEXO # VII MAQUETA TERMINADA (VARIAS VISTAS) 138 ANEXO # VIII COSTOS DEL PROYECTO Rubro USD($) Cigüeñal, biela, pistón y 75 cilindro de motor Suzuki GN125 Motor eléctrico Piñón y 100 cadena de 25 distribución Placas de acero Arduino Mega, 20 pantalla 90 GLDC con touch y shield Bocines, portabocines y 85 retenedores Utilización de equipos para 20 corte, doblado y soldadura Pernos y tuercas 10 Sensor, material para los 80 circuitos eléctricos y electrónicos Programación 650 Total: 1155 139 NOMENCLATURA Símbolos Genéricos aceleración m/s2 distancia m F fuerza N T Torque N.m régimen de giro rpm Potencia W, HP tiempo s velocidad m/s posición m, mm P Δ incremento η rendimiento ω velocidad angular rad/s Símbolos Específicos Ap área del pistón cm2 140 D diámetro del cilindro mm desplazamiento del eje del bulón con respecto al eje del cigüeñal relación de transmisión descentrado relativo del pistón ℓ longitud de la biela mm radio de la manivela del cigüeñal mm S carrera del pistón mm S/D relación carrera – diámetro Vc volumen de la cámara de combustión cm3 Vh cilindrada unitaria cm3 VH cilindrada total cc, lt número de cilindros α ángulo girado por el cigüeñal ° β oblicuidad de la biela ° ε relación de compresión θ ángulo formado entre la biela y la manivela λ proporción biela – manivela ° Siglas ASTM (American Society for Testing and Materials) 141 GLCD pantalla gráfica de cristal líquido GMAW soldadura por arco metálico bajo gas protector MAG soldadura con gas activo MCIA motor de combustión interna alternativo MEC motor de encendido por compresión MEP motor de encendido provocado MIG soldadura bajo gas inerte PMI punto muerto inferior PMS punto muerto superior PWM modulación por ancho de pulsos SOHC árbol de levas en el cabezote TFT pantalla de transistor de película delgada UARTS puertos serie por hardware 142 BIBLIOGRAFÍA Arduino. (2010). Arduino. Recuperado el 10 de noviembre de 2013, de http://www.arduino.cc/es/ Arduino. (2014). Rotary Encoders. Recuperado el 12 de mayo de 2014, de http://playground.arduino.cc/Main/RotaryEncoders ASTM. (2006-2013). ASTM International. Recuperado el 30 de septiembre de 2013, de http://www.astm.org/ AWS. (2013). American Welding Society. Recuperado el 10 de noviembre de 2013, de http://www.aws.org/w/a/ Bosch. (2010). Tecnología del Automóvil de Bosch. Recuperado el 25 de 06 de 2013, de http://www.boschautomotivetechnology.com/es/com/home/homepage_com.html Bosch GmbH, Robert. (2005). Manual de la Técnica del Automóvil (4ta ed.). Alemania: Bosch. Cabrera, G. (09 de abril de 2013). Aprendemos Tecnología. Recuperado el 04 de mayo de 2013, de http://aprendemostecnologia.org/ Cardona Foix, S., & Clos Costa, D. (2001). Teoría de Máquinas. Barcelona: UPC. Datasheet. (2013). Datasheet Archive. 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