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DISEÑO, FABRICACIÓN Y MONTAJE DE UN BANCO PARA

PRUEBAS DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA

DIEGO ANDRÉS TRIANA LÓPEZ Estudiante de Ingeniería Mecánica

Proyecto de Grado presentado como requisito para optar al

Título de Ingeniero Mecánico

Asesor: RAFAEL BELTRÁN

Ingeniero Mecánico, MSc.

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ D.C.

MAYO 2010

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DISEÑO, FABRICACIÓN Y MONTAJE DE UN BANCO PARA

PRUEBAS DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA

DIEGO ANDRÉS TRIANA LÓPEZ Estudiante de Ingeniería Mecánica

Proyecto de Grado presentado como requisito para optar al Título de Ingeniero Mecánico

Asesor: RAFAEL BELTRÁN

Ingeniero Mecánico, MSc.

Presentado por: Visto bueno asesor: __________________________________ _____________________________ Diego Andrés Triana López Rafael Beltrán

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TABLA DE CONTENIDOS

 

1.  RESUMEN......................................................................................................................... 6 

2.  INTRODUCCIÓN............................................................................................................. 6 

3.  MARCO TEÓRICO.......................................................................................................... 9 

3.1  MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA.................................................................. 9 3.2  DINAMÓMETRO O FRENO HIDRÁULICO............................................................ 10 

4.  OBJETIVOS .................................................................................................................... 12 

4.1  OBJETIVOS GENERALES ....................................................................................... 12 

4.2  OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..................................................................................... 12 

5.  METODOLOGÍA ........................................................................................................... 12 

5.1  PARTES Y COMPONENTES DEL MOTOR ............................................................. 13 

5.2  PARTES Y COMPONENTES DEL DINAMÓMETRO ............................................... 15 

5.3  SELECCIÓN DEL MATERIAL Y PERFIL DEL BANCO ............................................. 15 

5.4  DISEÑO DEL BANCO ............................................................................................ 19 

5.5  VERIFICACIÓN DE LA SELECCIÓN DEL MATERIAL Y DISEÑO DEL BANCO..... 24 

5.6  INSTALACIÓN SUBSISTEMAS DEL MOTOR........................................................... 31 

5.7  ENSAMBLE MOTOR-DINAMÓMETRO.................................................................. 37 6.  RESULTADOS. ................................................................................................................ 41 

7.  CONCLUSIONES........................................................................................................... 43 

8.  RECOMENDACIONES.................................................................................................. 43 

9.  BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA Y POR CONSULTAR. .................................................. 44 

 

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TABLA DE IMÁGENES

Imagen 1. Ejemplo de un tipo de dinamómetro de chasis de carga .............................. 7 

Imagen 2. Dinamómetro de motor...................................................................................... 8 

Imagen 3. Motor Chevrolet 1400 c.c. correspondiente al modelo comercial AVEO...... 8 

Imagen 4. Ciclo de un motor de combustión interna (Otto)............................................. 9 

Imagen 5. Ciclo termodinámico en un motor de combustión interna (Otto)................ 10 

Imagen 6. Especificaciones del dinamómetro modelo 301-130 adquirido por la Universidad de los Andes .................................................................................................... 11 

Imagen 7. Esquema del freno hidraulico........................................................................... 11 

Imagen 8. Estado inicial del motor. (No incluye ensamble de partes adicionales) ...... 14 

Imagen 9. Propiedades dimensionales y mecánicas de la opción del perfil en C. ...... 16 

Imagen 10. Propiedades dimensionales y mecánicas de la opción del perfil en I........ 17 

Imagen 11. Perfiles en I y H ofrecidos en el mercado Colombiano. ............................... 17 

Imagen 12. Propiedades dimensionales y mecánicas de la opción tubular cuadrado. .............................................................................................................................................. 18 

Imagen 14. Medidas del perfil en ‘‘C’’. ............................................................................. 19 

Imagen 13. Perfil seleccionado. ......................................................................................... 19 

Imagen 15. Diseño inicial del banco de pruebas ............................................................. 20 

Imagen 16. Segundo diseño del banco de pruebas ....................................................... 21 

Imagen 17. Diseño final del banco de pruebas................................................................ 22 Imagen 18. Soporte en su estado original. ........................................................................ 23 

Imagen 19. Soporte modificado para ser usado en el banco. ....................................... 23 Imagen 20. Montaje del dinamómetro KAHN en un motor Diesel Cummins 12litros de 360bhp.................................................................................................................................. 24 

Imagen 21. Diagramas de cortante y de flexión generados por la carga Pmax. ......... 25 

Imagen 22. Diagramas de pendiente y de deflexión generados por la carga Pmax. . 26 

Imagen 23. Carga máxima soportada por el travesaño superior en el eje Y. ............... 27 

Imagen 24. Angulo de 1''x1/8'' que se uso para soportar un extremo del motor ........... 28 

Imagen 25. Análisis suponiendo un comportamiento Euler. ............................................ 29 

Imagen 26. Análisis suponiendo comportamiento Johnson ............................................ 29 

Imagen 27. Soportes usados para disminuir las v ibraciones en el banco....................... 30 

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Imagen 28. Soportes usados para disminuir las v ibraciones en el banco....................... 31 Imagen 29. Soportes usados para disminuir las v ibraciones en el banco....................... 31 

Imagen 30. Montaje radiador y motoventilador en el banco......................................... 32 Imagen 31. Montaje del radiador en el banco. ............................................................... 32 

Imagen 32. Conexión alambrado principal batería - arranque...................................... 33 Imagen 33. Alternador ........................................................................................................ 34 

Imagen 34. ECM conectado al alambrado principal...................................................... 34 Imagen 35. Manguera principal de aire al motor............................................................. 35 

Imagen 36. Filtro de aire instalado. parte izquierda imagen............................................ 35 

Imagen 37. Ensamble subsistemas completos. Incluye tablero de control. ................... 36 

Imagen 38. Piezas necesarios para el ensamble motor-dinamo .................................... 37 

Imagen 39. Torneado de la pieza de unión. ..................................................................... 38 

Imagen 40. Pieza de unión terminada............................................................................... 38 

Imagen 41. Pieza de unión durante la realización de los agujeros. ................................ 39 

Imagen 42. Pieza de unión durante la realización de los agujeros. ................................ 39 

Imagen 43. Construcción bujes.......................................................................................... 40 

Imagen 44. Bujes metalicos. ............................................................................................... 40 

Imagen 45. Ensamble de la pieza de unión al volante. ................................................... 41 

Imagen 46. Banco a nivel lo que asegura correcto funcionamiento............................. 41 

Imagen 47. Diseño del banco final con el conjunto motor-dínamo ensamblado. ....... 42 

Imagen 48. Diseño del banco final con el conjunto motor-dínamo ensamblado. ....... 42 

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1. RESUMEN  

Este proyecto de grado busca explicar los pasos necesarios para el diseño de un banco de pruebas para un motor de combustión interna, igualmente una vez el ensamble motor – dinamómetro es realizado, se explicará que sub sistemas son los que se tienen en cuenta como se instalaron y cuál es su función.

Las pruebas con el dinamómetro serán realizadas una vez se ha logrado la ignición o encendido del motor, y se valida el correcto funcionamiento de los sub sistemas.

El dinamómetro actúa como freno hidráulico que funciona a partir del cambio de presión en el agua, por lo que su montaje viene acompañado de una electro válvula que controla el paso de agua al dinamo.

2. INTRODUCCIÓN Los diseñadores y fabricantes automotrices realizan pruebas a los motores de modelos nuevos para encontrar su torque máximo, caballos de fuerza, consumos, revoluciones por minuto (RPM’s) máximas, desempeño a distintas cargas aplicadas, etc. y estudiar la v iabilidad de ese modelo dependiendo del resultados de dichas pruebas, estas pruebas son realizadas mediante un dinamómetro. Un dinamómetro es un instrumento utilizado para medir fuerza en diferentes dispositivos que para la industria automotriz será para medir las fuerzas a las que trabaja un motor de combustión interna con distintas cargas y así obtener el torque y la potencia desarrollados por este motor, existen dos tipos de dinamómetros para la medición de potencia en vehículos. El primero es el conocido como dinamómetro de chasis el cual consta de cuatro rodillos en paralelo - dos por rueda - (Imagen 1), de tal forma que se ubica el eje de tracción del vehículo sobre los rodillos y se inicia una operación normal del vehículo desde la primera marcha hasta la última, al mismo tiempo son aplicadas distintas cargas a los rodillos mediante unos discos de freno conectados a los ejes de los rodillos y que funcionan por medio de un sistema hidráulico, eléctrico o neumático con el fin de simular diferentes condiciones de uso, el objetivo es que se pueda medir la potencia que es transmitida al piso por las ruedas. Estos dinamómetros tienen como ventaja la exactitud en las mediciones realizadas desde el punto de vista del vehículo como conjunto ya que tienen en cuenta todas las pérdidas de los elementos mecánicos involucrados tales como engranes, ejes, correas y poleas puesto que la prueba es realizada al vehículo y no al motor, sin embargo tienen como desventaja que la lectura del torque no cumple del todo con la definición de la teoría es decir que a unas RPM´s constantes él torque debería ser el mismo a lo largo de la prueba sin embargo este varía según la marcha, en primera marcha existe un torque alto a ciertas RPM´s pero a esa misma cantidad de revoluciones en tercera marcha no existe el mismo torque y por lo tanto la potencia también es diferente entre marchas ya que por definición la potencia es igual al torque por la velocidad angular.

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El sistema o dispositivo del dinámetro de chasis arrojara como resultado la curva de torque vs RPM y potencia vs RPM teniendo en cuenta y habiendo corregido la desventaja anteriormente mencionada.

Imagen 1. Ejemplo de un tipo de dinamómetro de chasis de carga

El otro tipo de dinamómetro usado en el sector automotriz es el dinamómetro de motor –dinamómetro que será usado dentro de este proyecto – que es un dispositivo que mide la potencia del motor sometido a prueba directamente desde el volante del cigüeñal, el dinamómetro es conectado al volante y se aplican diferentes cargas para generar distintas potencias de trabajo en el motor y simular diferentes condiciones de uso, a partir de esta prueba los datos de la potencia y del torque vs las RPM s son obtenidos. Esta prueba puede realizarse con o sin los accesorios que van conectados al motor tales como la bomba de aceite, de agua o aceite hidráulico, aire acondicionado, etc. Este tipo de dinamómetro requiere de un montaje complicado y un sistema de refrigeración independiente, aun así, este método de medición de potencia es el más usado por los fabricantes automotrices en el mundo, las curvas de torque vs RPM´s dadas por los fabricantes, ensambladores o importadores de los vehículos convencionales que se consiguen hoy en día en el mercado son tomadas de pruebas realizadas mediante este tipo de dinamómetros y no se tienen en cuenta las pérdidas de elementos mecánicos como embrague, transmisión, diferencial, ejes.

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Imagen 2. Dinamómetro de motor

En proyectos de grado realizados anteriormente por parte de algunos estudiantes de ingeniería mecánica de la Universidad de los Andes, se realizaron pruebas mediante un dinamómetro de chasis a diferentes vehículos, teniendo como objetivos realizar un mantenimiento exhaustivo del sistema de carga del dinamómetro, idear tanto la ubicación como el tipo de sensores a utilizar para la recolección de datos del sistema, obtener la curva de Potencia vs. RPM en las ruedas, realizar pruebas con diferentes vehículos y verificar el correcto funcionamiento del dinamómetro, como se menciono anteriormente estos proyectos de grado se hicieron haciendo uso de un dinamómetro de chasis HH propiedad de la Universidad de los Andes, fabricado en Dinamarca por la empresa Hans Hol gaard Maskinfabrik, sin embargo no se han realizado proyectos de grado que realicen pruebas a motores de combustión interna mediante un dinamómetro de motor y es ahí donde nace esta propuesta, ya que a diferencia de los proyectos anteriores se realizara a un mismo motor, se cotejara con información dada por el fabricante del motor y será una prueba más técnica. Este proyecto tiene como reto el hecho que anteriormente en la Universidad no se han realizado proyectos haciendo uso de un dinamómetro de motor por lo que es un campo de nuevo en la investigación de pruebas a motores de combustión interna.

Imagen 3. Motor Chevrolet 1400 c.c. correspondiente al modelo comercial AVEO

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Para ello es necesario diseñar y construir un banco de pruebas que cumpla con todas las necesidades del proyecto como lo son prueba de sub sistemas, ensamble dinamo – motor, acomodaciones de partes como tanque de combustible, tanque de agua, radiador, moto ventilador, sistema de escape y de admisión.

3. MARCO TEÓRICO

3.1 MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Un motor de combustión interna es una máquina que mezcla oxígeno con combustible gasificado. Una vez mezclados íntimamente y confinados en un espacio denominado cámara de combustión, los gases son encendidos para quemarse (combustión). Debido a su diseño, el motor, utiliza el calor generado por la combustión, como energía para producir el movimiento giratorio que conocemos. Existen diferentes tipos de motores de combustión interna todos funcionan u operan bajo el mismo principio, los tipos de motores son:

• Motor Otto • Motor Diesel • Motor rotario • Turbina de combustión

Dentro de este proyecto será utilizado un motor de combustión interna del ciclo de Otto realiza su combustión en un ciclo termodinámico ideal en el cual, todo el calor se aporta a volumen constante. Este ciclo consta de cuatro procesos: 1-2; Compresión adiabática, 2-3; ignición o inflamación (aporte de calor a volumen constante), 3-4; expansión adiabática y 4-1; escape de gases de combustión.

Imagen 4. Ciclo de un motor de combustión interna (Otto)

 

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 Imagen 5. Ciclo termodinámico en un motor de combustión interna (Otto)

Para el caso de este proyecto la Universidad de los Andes ha adquirido un motor de combustión interna de gasolina corriente del ciclo de Otto de 1400 centímetros cúbicos marca Chevrolet correspondiente al modelo comercial ‘Av eo’.

Motor Sedán 1.4 Cilindrada (cc) 1.400 Cilindros 4

Combustible Gasolina Motor 1.4 16v , DOHC

Potencia 94 HP a 6.200 rpm Relación de compresión 9,5:1

Torque 130 Nm a 3.400 rpm

Tabla 1. Especificaciones del motor adquirido para las pruebas

 

3.2 DINAMÓMETRO O FRENO HIDRÁULICO Un freno hidráulico (también conocido como dinamómetro hidráulico) es una máquina que nos sirve para medir la potencia de al eje de salida de un motor rotacional. De manera general, un freno hidráulico puede describirse como una bomba regenerativa funcionando en sentido contrario, es decir, que en vez de usarse la potencia de un motor para bombear agua de un lugar a otro, se utiliza el principio de disipación de energía por fricción liquida para “frenar” un motor de combustión interna y de esta manera poder medir la potencia del motor.

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Imagen 6. Especificaciones del dinamómetro modelo 301-130 adquirido por la Universidad de los Andes

Para este proyecto se tiene un dinamómetro hidráulico marca KAHN serie 310-130 (Imagen 6), el cual será ensamblado al motor mediante un eje dentado y un acople (partes del dinamómetro), con el fin de encontrar las propiedades del motor rpm máximas, torque máximo, caballaje, etc., y al mismo tiempo teniendo en cuenta el sistema de refrigeración, alimentación de aire, sistema de escape de gases y realización de diferentes pruebas a este motor.

Imagen 7. Esquema del freno hidraulico

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El funcionamiento de este dinamómetro consiste en un juego de engranes, montados en una cubierta, los cuales están conectados mediante un eje rotor que a su vez se une mediante un eje dentado al eje cigüeñal del motor, la resistencia que encuentra el rotor al girar, es igual y opuesta a la reacción que tiende a hacer girar el eje principal, el flujo de agua es controlado mediante un decodificador que es conectado a una electroválvula.

4. OBJETIVOS

4.1 OBJETIVOS GENERALES

• Realizar el diseño un banco de pruebas para que el que el ensamble motor –

dinamómetro sea funcional.

• Construcción del banco según el diseño, este debe soportar las cargas generadas por las pruebas que serán realizadas.

4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Puesta a punto del motor incluyendo la disposición de gases de escape.

• Puesta a punto del motor mediante la correcta instalación de subsistemas.

• Prueba de la implementación mediante ensayos del sistema motor – dinamómetro.

• Verificación de la selección del material y diseño del banco mediante las posibles fallas que serán generadas durante las pruebas.

• Comprobar sistema de ignición del motor mediante pruebas del sistema

eléctrico.

5. METODOLOGÍA Como se menciono anteriormente la realización de este proyecto requiere del diseño de un banco de pruebas en donde se instalara tanto el motor como el dinamómetro, en donde se deberá tener en cuenta la selección del material, las cargas a la que va a ser sometido y las posibles fallas que sufrirá.

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La metodología que se siguió consistió en la revisión de las partes que venían tanto con el motor con el dinamómetro, examinar que partes hacían falta para lograr la ignición del motor, encontrar una zona adecuada para la localización del banco, análisis de cargas y posibles fallas del banco, selección del perfil y diseño del banco.

5.1 PARTES Y COMPONENTES DEL MOTOR Se inicia por mirar los puntos de apoyo que están en el motor y de los cuales es sujetado el motor en el proceso de ensamble del automóvil, a partir de este análisis se diseñara el banco. Se tiene como prioridad o como base del diseño el tamaño y peso del motor ya que el dinamómetro se puede acomodar con mayor facilidad a un diseño ya establecido, esta decisión se hace ya que los factores de peso y tamaño del dinamómetro no influyen en una gran magnitud. Para el diseño igualmente se debe tener en cuenta las partes que faltan ser ensambladas al motor como, mangueras, modulo de control (ECM), tubería, alambrado, batería, moto ventilador. A continuación en la tabla 2 se encuentra el listado de partes con las que venía el motor.

PARTES QUE VENÍAN CON EL MOTOR

Motor completo Soporte ECM Tapa tanque expansión radiador

Manguera a tubo de agua

Soporte izquierdo motor

Conv ertidor catalítico

Tubo radiador bomba de agua Base soporte motor

Modulo control motor ECM

Manguera entrada cuerpo de aceleración

Manguera tanque recuperación radiador

Alambrado motor

Silenciador escape trasero

Manguera superior radiador Soporte motor

Tubería escape delantero

Manguera inferior radiador Varilla a transmisión

Tanque de recuperación radiador

Manguera retorno cuerpo de aceleración

Alambrado batería

Radiador Conjunto enfocador y moto v entilador

Purificador de aire completo

Aislador soporte motor Silenciador escape delantero

Tabla 2. Listado de partes que venían con el conjunto motor.

 

 

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Imagen 8. Estado inicial del motor. (No incluye ensamble de partes adicionales)

Cabe mencionar que el listado mencionado en la tabla 2 no incluye las partes necesarias para el encendido del motor y estas partes debieron ser solicitadas posteriormente. (Tabla 3)

PARTES PENDIENTES Alternador. MAF. Bomba de combustible (completa).

Sensor de oxigeno.

Caja de fusibles (la que va en el motor, con fusibles).

Relays bomba de gasolina.

Cable que va del moto- ventilador al ECM.

Manguera que va del filtro de aire a la mariposa del acelerador.

Empaque de catalizador - múltiple de escape.

Arnés principal tablero de instrumentos.

Disipador de calor del múltiple de escape.

Tablero de instrumentos. (para v er señales de error y rpm del motor)

Guaya del acelerador.

Switch de arranque con llav es.

Tabla 3. Partes faltantes dentro del pedido del motor.

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5.2 PARTES Y COMPONENTES DEL DINAMÓMETRO El dinamómetro cuenta con unas partes adicionales que permitirán su correcto desempeño y que se deben tener en cuenta dentro del diseño del mismo.

PARTES DINAMÓMETRO

Caja de control. Tornillos de seguridad. (Fijación dinamo con el banco)

Electroválvula. Manual del usuario.

Cable de adquisición de datos. Eje conector.

Pesas de balanceo. Plato de unión con el volante.

Montaje o base para motores diesel.

Tabla 4. Partes del dinamómetro.

 

5.3 SELECCIÓN DEL MATERIAL Y PERFIL DEL BANCO Teniendo en cuenta las necesidades, subsistemas, mantenimiento y requerimientos se procede a la selección del material y al perfil que mejor se adapte para la estructura. El motor pesó 350 kilogramos y el dinamómetro pesó 85 kilogramos es decir que el conjunto pesará 435 kilogramos, y si se tienen en cuenta las v ibraciones producidas por el sistema es necesario que el banco sea robusto y soporte estas fuerzas por tal razón se desea que el material sea estructural. Es necesario que el banco sea construido en un perfil estructural dadas las cargas y vibraciones a las que se verá sometido, por lo tanto se investigaron todos los posibles perfiles estructurales que se encuentran en el mercado colombiano y se encontró que los perfiles que más se adecuan a las necesidades en formas como C, I, o tubular cuadrado. Como se menciono anteriormente existen tres potenciales causas de falla para el banco estas son falla por flexión, pandeo o falla por las altas v ibraciones, por lo tanto el perfil que será seleccionado es aquel que resista de mejor manera estas potenciales casusa de falla. El material que fue seleccionado es un acero A36, esto se debe a que es un acero de fácil consecución, los proveedores locales lo dan certificado y se ofrece la variedad de perfiles deseados, igualmente como conclusión de proyectos de grado anteriores (Carranza Vidal, 2007) podemos definir que el calibre más apropiado que debe llevar

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el perfil es de 2 milímetros para evitar sobredimensionamiento y exceso de peso del banco conociendo esto las especificaciones de este acero son:

200 29000

250 36300

0,260

7,85 / 0,284 / La selección del perfil estará determinada por los siguientes factores:

• Inercia • Costos • Fácil manipulación.

INERCIA Perfi l en C

Imagen 9. Propiedades dimensionales y mecánicas de la opción del perfil en C.

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Perfi l en I

Imagen 10. Propiedades dimensionales y mecánicas de la opción del perfil en I.

Para este perfil se tuvo en cuenta el primer perfil ofrecido por aceros COLMENA.

Imagen 11. Perfiles en I y H ofrecidos en el mercado Colombiano.

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Tubular cuadrado

Imagen 12. Propiedades dimensionales y mecánicas de la opción tubular cuadrado.

Como se puede observar el perfil en ‘‘I’’ (Imagen 9) es el de mayor inercia por lo que se constituiría en nuestra primera opción seguido por el tubular y cuadrado y por último el perfil en ‘‘C’’. FÁCIL MANIPULACIÓN Todas las opciones son de fácil maleabilidad pero por proyectos anteriormente realizados se tiene que el perfil en ‘‘C’’ ofrece mayores prestaciones y permite que los subsistemas sean instalados con mayor facilidad, es más liv iano y adicionalmente en caso de ser necesario re trabajos y/o adaptaciones se pueden realizar con mayor rapidez. Teniendo en cuenta lo anterior la decisión estará entre el perfil en ‘‘I’’ y el perfil en ‘‘C’’, por lo que nuestro factor de decisión serán los costos. COSTOS Al dirigirse al proveedor soluciones tubulares (Calle 15 N 22-67, Paloquemao, Bogotá) el costo del perfil en ‘‘I’’ es de 60.000 COP por 6 metros mientras que el del perfil en ‘‘C’’ es de 22.000 COP por 6 metros, por lo tanto el perfil en ‘‘C’’ es la opción más económica dado que se cuentan con 515.000 COP para el proyecto y se necesitan más materiales.

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Siendo la inercia un factor de importancia, se escogería el perfil en ‘‘I’’ sobre el perfil en ‘‘C’’, ya que la las resistencia mecánica prima sobre los costos pero si se revisa la inercia del perfil en ‘‘C’’, se puede observar que no es un valor malo o deficiente y que el mismo que origine una falla prematura, siendo los costos nuestro segundo factor de importancia se selecciona el perfil en ‘‘C’’ como el adecuado, para realizar el banco.

Imagen 14. Medidas del perfil en ‘‘C’’.

 

5.4 DISEÑO DEL BANCO Como se menciono anteriormente este perfil en ‘‘C’’ va a permitir la facilidad en la instalación de sub sistemas como radiador, alternador, tubo de escape, etc. Por lo que paso seguido a la selección se debe realizar el diseño. Dentro de las partes que aparecen en la tabla 2 se encuentra el soporte que se usa originalmente en el modelo AVEO, que de ahora en adelante será soporte principal (SP) por lo tanto este se tendrá en cuenta dentro del diseño con el fin de poder realizar la unión banco-motor y soportar mejor las v ibraciones originadas por este. Una vez se conocen todas las partes necesarias y las medidas tanto del motor como del dinamómetro se inicia el proceso de diseño del banco de pruebas, para este proceso se deben tener en cuenta algunas necesidades como:

Imagen 13. Perfil seleccionado.

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• Dimensiones y pesos de cada uno de los componentes. • Altas v ibraciones ejercidas por el motor al momento de ser frenado. • Espacio necesario para realizar cambios de filtros, mangueras o subsistemas. • Que pueda ser desplazado de un lugar a otro fácilmente. • Banco liviano. • Fácil montaje del ensamble motor – dinamo. • Zonas de adecuación dentro del laboratorio.

Al contar con el soporte principal anteriormente mencionado el banco debe tener un travesaño en donde sea instalado este soporte y sea un punto de fijación del motor, igualmente, para cumplir con la necesidad de que pueda ser desplazado con facilidad deben ser instaladas unas ruedas que soporten el peso del conjunto. También para el diseño se debe tener en cuenta el espacio para mantenimiento y adecuación de subsistemas por lo tanto debe ser amplio y con fácil acceso a cualquiera de sus partes, lo anterior igualmente aplica para el dinamómetro ya que se le debe instalar una electroválvula que controla el flujo de agua y la caja de control. Teniendo en cuenta lo anterior se tiene una idea preliminar como la que parece a continuación:

Imagen 15. Diseño inicial del banco de pruebas

Al realizar este diseño se presento el problema que la fijación del dinamómetro no era lo suficientemente rígida para soportar las v ibraciones dadas por el motor y muy probablemente se presentaría una falla prematura del eje de unión entre el motor y el dinamómetro. Por lo tanto se realizaron las modificaciones necesarias y en adición se incluyeron las llantas quedando:

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Imagen 16. Segundo diseño del banco de pruebas

En la imagen 14 se puede observar que al lado izquierdo se cumple con un espacio amplio para la instalación del motor y fácil acceso para la adecuación de subsistemas y mantenimiento, igualmente al lado derecho se instalará el dinamómetro, en un espacio mas reducido pero con dos travesaños sobre el eje X que permitirán la fijación adecuada, cuando se realizaron estas modificaciones se rev iso como el banco soportaría las altas vibraciones a las que puede ser sometido e igualmente como estas serían transmitidas o soportadas por el conjunto motor-dinamómetro. Por lo tanto fue necesario realizar nuevamente unas modificaciones que hicieran que el banco soportara de una mejor manera las v ibraciones y el dinamómetro no sufriera daños.

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Imagen 17. Diseño final del banco de pruebas.

Se puede ver que se incluyo un travesaño adicional sobre el eje Y el cual permitió la instalación de dos soportes de motor adicionales o ‘‘mogollas’’ junto con unas columnas que van atornilladas al bloque del motor, esto permite que el banco soporte mejor las v ibraciones del motor y así mismo el dinamómetro. A comienzos de esta sección se menciono la idea de usar uno de los soportes originales del modelo que de aquí en adelante será denominado soporte principal, con el fin de que las v ibraciones generadas por el motor se soportarán de manera adecuada, para tal hecho fue necesario realizar unas modificaciones al soporte para que este se pudiera ensamblado en el banco. En el travesaño superior del eje Y se ubicara el soporte principal, como se muestra en la imagen que aparece a continuación el soporte principal consta de tres orejas que van a ser usadas dentro del banco.

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Imagen 18. Soporte en su estado original.

Las orejas que se encuentran en paralelo 1 y 2 no sufrieron modificaciones pero el soporte principal al ser descansado sobre el travesaño permitía que existiera una luz que haría fallar los tornillos de sujeción por la vibración por lo tanto fue necesario adecuar dos tacos de madera uno para cada oreja para eliminar esta vibración. La oreja tres fue necesario cortarla para adecuarla al diseño del banco, como se muestra en la imagen 16 a continuación.

Imagen 19. Soporte modificado para ser usado en el banco.

1 

2 

3

2 1 

3 

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Este dinamómetro está diseñado para soportar v ibraciones aún más altas de las que llegará a soportar con el motor a gasolina de 1400 centímetros cúbicos según las especificaciones dadas por el fabricante. Como se puede ver en la próxima imagen en una prueba realizada por el fabricante a un motor CUMMINS diesel de 360bhp el dinamómetro va instalado como voladizo, por lo que el diseño de este banco está basado en esta imagen y se instalo de una manera similar al mismo.

Imagen 20. Montaje del dinamómetro KAHN en un motor Diesel Cummins 12litros de 360bhp.

5.5 VERIFICACIÓN DE LA SELECCIÓN DEL MATERIAL Y DISEÑO DEL BANCO. Para verificar si el diseño del banco y la selección del material del mismo fue adecuado se procedió a analizar las tres potenciales causas de falla del banco y cada una de ellas se estudio con las posibles selecciones de material, lo anterior teniendo como base el banco de pruebas realizado en un proyecto de grado anterior realizado por Jonathan Carranza en el 2007. FALLA POR FLEXIÓN. Como se pudo observar en la imagen 16, el soporte principal está ubicado sobre el travesaño superior del eje Y, esto hace que el peso del conjunto motor-dinamo sea soportado por este travesaño lo que genera un esfuerzo de flexión en el travesaño y es necesario estudiar si tanto el diseño como el banco soportarán esta carga. Este análisis se realizará como un caso en estática y con una carga puntual, para este análisis se tiene:

350 3,43

85 0,83

50 0,49

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485 4,75

Como el banco se diseño para soportar hasta 540 kilogramos se tendrá un factor de seguridad de 1,1 y se realizaran todos los cálculos suponiendo que las cargas que soportara el banco serán de 540 kilogramos.

485 4,75

540 5,29

5,294,75 1,1

Mediante el uso del programa MDSolids se determinaran las reacciones, y los esfuerzos máximos a flexión que soportara el travesaño para corroborar que tanto el diseño como la selección del perfil fueron correctos. Como: Σ 5,29 0 ; Σ 5,29 450 900 0

2,65 ; Σ 5,29 450 900 0

Imagen 21. Diagramas de cortante y de flexión generados por la carga Pmax.

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Imagen 22. Diagramas de pendiente y de deflexión generados por la carga Pmax.

El esfuerzo máximo estará determinado por:

1192,50 31,75275365,82 0,13

Si el esfuerzo a la fluencia del acero A36 es de 250MPa quiere decir que este travesaño no fallara por flexión debido a la carga sometida por el motor-dinamo. Igualmente se podrán incluir subsistemas o cargas adicionales hasta 925,11 kN, que es la carga máxima que soportará la v iga.

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Imagen 23. Carga máxima soportada por el travesaño superior en el eje Y.

FALLA POR PANDEO. Para este análisis y teniendo en cuenta el diseño escogido las columnas del perfil en C soportarán las cargas, en caso de generarse una falla por pandeo esta se ubicara en los ángulos de acero A36 que están soportando el motor en uno de los extremos.

1

0,13 130

0,3 300

2/

2 1 200 10

250 10

/

125,66

350

Conociendo estas constantes se realiza el análisis de cargas soportadas por los ángulos.

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Angulo A 12925,74  229  

1307,51 17,30 

Angulo B

12925,74  229  

3007,51 39,93 

Las cargas que soportarán los ángulos no generaran falla por pandeo dada su baja relación de esbeltez, esto se comprueba con el análisis de pandeo en columnas suponiendo un comportamiento tipo Johnson y uno Euler.

Imagen 24. Angulo de 1''x1/8'' que se uso para soportar un extremo del motor

 

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Imagen 25. Análisis suponiendo un comportamiento Euler.

Imagen 26. Análisis suponiendo comportamiento Johnson

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FALLA POR VIBRACIONES. De acuerdo a las especificaciones del dinamómetro tanto el eje como los engranes soportan hasta 7500RPM. Según las especificaciones de este motor la potencia máxima ocurre a 6200RPM, lo anterior indica que el eje de unión no entrara en una velocidad angular crítica en la cual el nivel de vibraciones sea tal que pueda entrar en resonancia y como consecuencia falle siempre y cuando no se superen las 6500RPM. El diseño hace uso del soporte principal, usado en el ensamblaje del modelo para que el banco soporte de una manera adecuada las cargas y las v ibraciones que soporte el mismo sean lo menor posible, los soportes adicionales también son usados por un automóvil del mercado.

Imagen 27. Soportes usados para disminuir las vibraciones en el banco.

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Imagen 28. Soportes usados para disminuir las vibraciones en el banco.

Imagen 29. Soportes usados para disminuir las vibraciones en el banco.

5.6 INSTALACIÓN SUBSISTEMAS DEL MOTOR.

Sistema de refrigeración. La incidencia del sistema de refrigeración en el desempeño de un motor es muy importante. La estabilidad en la temperatura es sinónimo de buen desempeño y datos confiables durante las pruebas.

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La temperatura excesiva impide el correcto funcionamiento del motor y dará como resultado desgaste prematuro en las partes internas del motor y daños irreparables.

Imagen 30. Montaje radiador y motoventilador en el banco.

Imagen 31. Montaje del radiador en el banco.

33  

Sistema eléctrico y electrónico. En este tipo de motores las conexiones eléctricas y electrónicas son necesarias para el correcto funcionamiento de muchos sistemas e instrumentos: arranque del motor, accesorios, tablero de instrumentos, etc. y controla subsistemas como bomba de combustible, alternador y ECM. El sistema eléctrico consta básicamente de los siguientes componentes:

• Batería • Alternador • Alambrado principal • Caja de fusibles • Modulo de control. (ECM)

Imagen 32. Conexión alambrado principal batería - arranque.

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Imagen 33. Alternador

 Imagen 34. ECM conectado al alambrado principal.

 

 

 

35  

Sistema de alimentación de aire.

Imagen 35. Manguera principal de aire al motor.

Imagen 36. Filtro de aire instalado. parte izquierda imagen.

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Tablero de instrumentos. Al momento de exigir el motor, para que alcance su régimen máximo, es necesario monitorearlo. Para ello se requiere un tacómetro, este motor cuenta con limitador de RPM. Estos instrumentos electrónicos, desactivan el encendido, una vez que se alcanza el régimen máximo recomendado de 6000RPM por las especificaciones del dinamómetro por tal razón el motor no debe ser operado al máximo de RPM. Superar el límite de revoluciones puede traer consecuencias graves en bielas, pistones, válvulas, cigüeñal y el dinamómetro, en el caso de no ocurrir alguna fractura ev idente que impida el funcionamiento de la máquina, generalmente es sólo apariencia. Los componentes quedan resentidos.

Imagen 37. Ensamble subsistemas completos. Incluye tablero de control.

 

 

 

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5.7 ENSAMBLE MOTOR-DINAMÓMETRO. Para el ensamble se usaron las piezas que aparecen a continuación en las imágenes:

1. Sujetador en blanco. 2. Engrane de unión. 3. Volante del dinamómetro.

El sujetador fue necesario maquinarlo para que exista una unión adecuada entre el volante del motor con el freno hidráulico.

Imagen 38. Piezas necesarios para el ensamble motor-dinamo

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MAQUINADO PIEZA DE UNIÓN. Los pasos para realizar el maquinado fueron:

1. Torneado

Imagen 39. Torneado de la pieza de unión.

Imagen 40. Pieza de unión terminada.

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2. Realización huecos pasantes. (Fresa y div isor)

Imagen 41. Pieza de unión durante la realización de los agujeros.

Imagen 42. Pieza de unión durante la realización de los agujeros.

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3. Bujes metálicos. Como existía un espacio entre la pieza de unión y el volante dada la geometría del mismo fue necesario diseñar unos bujes metálicos para disminuir el esfuerzo de torsión soportado por los tornillos al momento de la prueba, que cubrieran con el espacio entre la pieza y el volante.

 Imagen 43. Construcción bujes.

 

 Imagen 44. Bujes metalicos.

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Los tornillos de sujeción fueron de difícil conseguir dado su material, alta resistencia a esfuerzos cortantes, paso y longitud. La unión debe asegurar que al momento del freno hidráulico ser accionado no se presente falla no cabeceo excesivo del dinamómetro.

Imagen 45. Ensamble de la pieza de unión al volante.

6. RESULTADOS.

 Imagen 46. Banco a nivel lo que asegura correcto funcionamiento.

 

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 Imagen 47. Diseño del banco final con el conjunto motor-dínamo ensamblado.

 Imagen 48. Diseño del banco final con el conjunto motor-dínamo ensamblado.

 

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7. CONCLUSIONES. • El diseño cumple con los objetivos alcanzados, es funcional, soporta las

vibraciones, es liv iano y se puede mover de un lado a otro con facilidad.

• Los cálculos comprobaron al correcta selección del material previenen falla por flexión, pandeo y vibraciones.

• Los tornillos de fijación de la pieza de unión al volante cumplen con

especificaciones dadas por el proveedor del motor para soportar los esfuerzos de torsión.

• Se logro disminuir las v ibraciones que soporta el banco mediante el uso

adecuado de soportes de motor usados en la industria automotriz.

• Este proyecto es una buena base para futuros proyectos de investigación y realización de pruebas de motores de combustión interna, cumple con las condiciones requeridas de seguridad.

8. RECOMENDACIONES. • Las 6000RPM no deben ser superadas por seguridad y preservación del

dinamómetro.

• Realizar un programa de mantenimiento preventivo en todos los elementos conformados o creados en el desarrollo de este proyecto.

• Poner frenos a las ruedas de la bancada con el fin de fijarla al piso.

• Realizar la conexión necesaria para adaptar la salida de escape de gases del

motor con el sistema de extracción que tiene el laboratorio de conversión de energía.

• Realización de manuales, con el fin de que las pruebas sean conducidas de

manera correcta y se logren buenos resultados.

 

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9. BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA Y POR CONSULTAR.

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info.co.uk/engine-dynamometer.htm. Recuperado el 26 de Octubre de 2009.

3. Intake Valv e Deposit Testing Using an Engine Dynamometer Procedure. http://www.sae.org/technical/papers/922261. Recuperado el 26 de Octubre de 2009.

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5. Rodríguez, Juan Felipe. RESTAURACIÓN Y ACTUALIZACIÓN DEL DINAMOMETRO “HH DYNAMOMETER”, Proyecto de grado facultad de ingeniería, Univ ersidad de los Andes, Departamento de Ingeniería Mecánica. Segundo semestre 2006.

6. Carranza, Jonathan. MANUFACTURA Y MONTAJE DE ELEMENTOS PARA EL BANCO DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA, Proyecto de grado facultad de ingeniería, Universidad de los Andes, Departamento de Ingeniería Mecánica. Primer semestre 2007.

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8. Método de una prueba estándar para la evaluación de un dinamómetro en motores de combustión interna. ASTM D6201-04.

9. http://www.chevrolet.cl/v ehiculos/Autos/Av eo/Av eo-Sedan.html. Recuperado el 6 de noviembre de 2009.

10. Los cuatros tiempos de un motor de combustión interna Otto https://intranet.matematicas.uady.mx/portal/leamos_ciencia/VOLUMEN_I/ciencia2/39/imgs/pet09p038.gif. Tomado el 17 de Mayo de 2010.

11. http://www.todomotores.cl/competicion/refrigeracion_motor.htm. Tomado 26 de Mayo de 2010