Diseño del acople para banco de prueba de motores TECNER y cajas de velocidades automáticas A4Q

Resumen

En este documento se presentan los resultados de un estudio relacionado con el rediseño de un banco de prueba de motores de combustión interna, marca TECNER, modelo V-230, para evaluar el funcionamiento de las cajas de velocidad automáticas longitudinales. Para la unión del motor del banco con la transmisión a evaluar se diseña un acople mecánico mediante la modelación, análisis y simulación con el programa SOLIDWORKS.

Introducción

En los talleres automotrices, luego de las reparaciones de cajas de velocidad automática longitudinal de vehículos automotores, una de las principales formas de verificar su funcionamiento correcto es instalarla en el vehículo y hacer un recorrido de prueba. Si la transmisión no funciona apropiadamente, es necesario desmontarla nuevamente, lo cual genera pérdida de tiempo y dinero. Esto mismo ocurre al comprar una transmisión reconstruida o de uso, ya que, generalmente, el vendedor no puede garantizar su funcionamiento. Por otra parte durante el proceso de formación profesional, en la carrera mecánica automotriz se hace necesario profundizar en la adquisición de conocimientos relacionados con la teoría de las transmisiones del vehículo automotor. Es precisamente, en este sentido que surge la problemática de la investigación.

Banco de prueba de motores de combustión interna, marca TECNER, modelo V-230

Un banco de prueba [1] es un sistema capaz de ensayar una determinada máquina, es una plataforma para experimentar proyectos de gran desarrollo. Los bancos de pruebas brindan una forma de comprobación rigurosa, transparente y repetible de teorías científicas, elemento mecánicos, y otras nuevas tecnologías. Se usa en variadas disciplinas para describir o simular un ambiente real, que está protegido de los riesgos existentes al realizar las pruebas, con la finalidad de comprender el comportamiento del sistema o evaluar nuevas estrategias, dentro de los límites impuestos por un cierto criterio o un conjunto de ellos para el funcionamiento del sistema.

El banco [2] (ver figura 1), está constituido por las siguientes partes:

Figura 1. Banco de pruebas de motores de combustión interna, marca TECNER

-Un freno hidráulico dinamométrico, con las siguientes características: Potencia máxima 230kW; Par máximo 650 Nm y Velocidad máxima 8000 rpm, lo cual caracteriza este banco de ensayos.

– El motor empleado para las pruebas es el Systems-Porsche instalado en el vehículo SEAT, modelo Ibiza, cuyos datos técnicos se presentan a continuación:

– Una consola de control, (ver figura 2), para la instrumentación, compuesto de Racks de 19pulg, con los siguientes elementos:

• Interruptor general e indicación luminosa de tensión de red.

• Unidad de lectura para medidas digitales de par y régimen, modelo UMPF-23.

• Unidad de regulación para control de carga de dinamómetro hidráulico, 4 modos, modelo URFD 42E.

• Unidad de visualización digital con indicadores, marca Toho para las medidas de temperatura de entrada, temperatura de salida, temperatura aceite de motor, caudal de agua y presión de aceite.

• Unidad de control del motor con mando de gases, contacto, arranque y paro del motor.

• Unidad de alarmas con sirena y selector para habilitación / deshabilitación de alarmas e inhibición de bocina.

• El equipo dispone de una salida para su conexión a un sistema informático de adquisición de datos a través de la interfase para una Tarjeta de adquisición datos de NI tipo PCI 6023E.

Figura 2. Panel de control, banco TECNER

La unidad, se encarga del control de la excitación del freno hidráulico, para posibilitar la exploración de las curvas de par y potencia del motor bajo ensayo. En esta investigación, sirve para generar la carga para que la caja de velocidad realice los cambios de relación de velocidad.

La versión estándar de este freno incluye los tres modos de regulación que se consideran suficientes para el ensayo de motores.

Modo RPM (N) Constante

El regulador es retroalimentado con una señal proporcional a la velocidad de giro del motor, y actúa sobre el freno para mantener las revoluciones constantes. La numeración del dial cuentavueltas coincide en tanto por ciento con la velocidad de giro del motor en rpm, de forma que girando el multidial a izquierdas se aplica más carga al motor.En esta posición, al intentar arrancar el motor, el freno accionará con el par máximo para reducir las revoluciones. Por tanto, al poner en marcha el motor hay que seleccionar un régimen de giro razonable en el potenciómetro multivueltas.

Deben evitarse variaciones bruscas del potenciómetro, debido al comportamiento transitorio del regulador PID. Las curvas se observan en las figuras 3, 4 y 5. La tolerancia típica es menor de 5 rpm.

Figura 3. Curva para las revoluciones constantes.

La figura 4 representa una gráfica de un motor diesel típico. El par va creciendo desde el punto A al B, donde alcanza el par máximo, decrece hasta el C y a partir de ahí entra en funcionamiento el regulador que produce el corte de la bomba de inyección, con lo que el par desciende rápidamente hasta cero (punto D).

Figura 4.Curva de un motor de gasoil.

En la figura 5, aparecen las curvas típicas de un motor de gasolina La acción del acelerador es provocar el corte de la bomba en el punto C deseado. En un motor de gasolina no existe en general regulador de corte, la curva de par motor es parecida a la anterior, salvo precisamente, en esa zona de corte que aparece en el diesel y que no aparece en el de gasolina.

Figura 5. Curvas de un motor de gasolina

Modo Par (M) Constante

El regulador es retroalimentado con una señal proporcional al par ejercido por el motor, y actúa sobre el freno para mantener este valor constante. La numeración del dial corresponde con el par aplicado, de forma que, girando el potenciómetro multivueltas a derecha se aplica más carga al motor.

Las curvas se observan en la figura 6,7 y 8.

El potenciómetro de control selecciona el par de funcionamiento. La tolerancia típica de ajuste es menor de ± 5% F.S.

Modo Par proporcional a la velocidad-rpm (M/n)

En este modo actúa un regulador distinto, con características fijas (variables mediante un potenciómetro interno), el cual entrega una señal de excitación al freno que es proporcional a la velocidad de giro del motor y a la señal designada, proporcionada por el potenciómetro multivuelta de control. La actuación es similar al modo Par constante, girando el mando a derechas se aumenta la carga, o par de frenado.

La intensidad de excitación es proporcional al régimen de giro. Las curvas de freno son como se observan en la figura 9.

Figura 9. Curvas para el par proporcional a las rpm

El inicio de la curva de par frenante (n1, n2, …nn) se ajusta con el potenciómetro de regulación. La pendiente de la curva se ajusta con el potenciómetro ?M / ?n. este potenciómetro es interior y esta ajustado para ensayar motores de explosión. Como puede observarse, las curvas pueden ser prácticamente verticales, con lo que el funcionamiento sería muy similar al modo n = cte.

?M / ?n es regulable de 0.5 a 2.5.

Caja automática A4Q

La caja automática (A4Q)[3] es una transmisión de cuatro velocidades más retroceso, donde la cuarta relación de velocidad es la sobremarcha, la cual viene montada en el vehículo TERIOS (Dahaitsu), ensamblado por la Toyota de Venezuela. Este vehículo Terios, su motor, tiene las siguientes características: 105 Hp de potencia máxima a 6000 rpm, y un Torque máximo de 140 Nm a 4400 rpm. Estos valores de potencia y torque, son los que soportan la caja en estudio, y si se comparan con los valores del motor SEAT, montado en el banco de prueba, el cual genera una potencia máxima de 90 HP, indica que la caja a probar, no tendrá inconvenientes para trabajar, en el banco.

La figura 10, muestra una caja de velocidad A4Q, y en la tabla 1, están sus partes o componentes.

Figura 10. Esquema de una caja de velocidad A4Q.

Tabla 1. Componentes de la caja A4Q.

Estructura general del sistema motor – transmisión – freno

La propuesta de diseño del banco de prueba de motores de combustión interna, marca TECNER, se observa en el esquema de la figura 11. En el mismo, se pueden apreciar los elementos mecánicos que conforman el montaje de la caja a ensayar. Dichos elementos mecánicos son los siguientes:

• El acople motor-convertidor de par.

• La base de apoyo.

• El acople o junta deslizante transmisión-freno dinamométrico

Figura 11 Esquema del nuevo diseño del Banco de pruebas.

Modificaciones propuestas al diseño mecánico del banco de pruebas

El acople motor-convertidor de par.

El acople motor-convertidor de par (ver figura 12), el cual se diseña en base a la potencia que genera el motor, que es de 90 CV (66 KW), lo que corresponde a un momento torsor necesario, de por lo menos 140 N.m. Este acople consta de dos partes.(ver figura 3.3). Un lado que acopla directamente al eje de salida del motor, y la otra parte que es un plato intercambiable, ya que sus dimensiones dependerán del tipo de caja de velocidad que se monte en el banco, el cual se conectara a la caja de velocidad de ensayo.

Figura 12 Representación del acople motor-convertidor de par.

Este acople motor-convertidor es un conjunto de dos piezas, tal como se indicó anteriormente. (ver figura 13). En la figura 13.a, se observa el plato que unirá la caja automática con el acople del motor (figura 13.b). Es importante señalar que el plato de la figura 13.a, es una pieza intercambiable, ya que para un tipo o marca de convertidor de par existirá un plato determinado. Esto debido a que no todos los convertidores de los vehículos automotores son iguales. El acople unido al motor si es una pieza fija e independiente de la caja a ensayar.

Figura 13. Acople motor-convertidor

Estas dos piezas se modelaron y analizaron con el programa SOLIDWORKS. Los resultados alcanzados en la simulación, según el criterio de Von Misses.

Para el análisis de tensión de una pieza mecánica, [4,5] se pueden utilizar varios criterios, a saber.

• Criterio de Mohr-Coulomb, apropiado para materiales que presentan diferentes propiedades a tracción que a compresión.

• Criterio de la tensión normal máxima, apropiado para materiales que presentan rotura frágil en condiciones habituales de trabajo, como es el caso de las fundiciones.

• Criterio de Von Mises, es apropiado para el acero y otros metales dúctiles como las aleaciones de aluminio y las aleaciones de cobre. En la actualidad es el de mayor precisión y por lo tanto el de mayor uso, ya que es un criterio con el que se logra mejor aproximación a los valores experimentales.

Acople de salida mediante junta deslizante

El acople de salida debe ser como el mostrado en la figura14, que es una junta deslizante, donde entra el eje de salida de la caja de transmisión. Este no se diseña, ya que es una pieza que se consigue en el mercado.

Figura 14. Junta deslizante.

Base de soporte de la caja de velocidad.

En el anexo, se representa la base del soporte de la caja, con las dimensiones necesarias para su posterior elaboración. La misma se construirá siguiendo el modelo de base de soporte del propio banco de prueba existente, considerando, desde el punto de vista de la resistencia mecánica, que si resiste el peso del motor, no tendrá problemas al soportar la caja de velocidad, que tiene menor peso.

Simulación con SOLIDWORKS

Para la simulación del acople primeramente se debe de definir el tipo de estudio, el cual será DINAMICO LINEAL, tal como se observa en la figura 15.

Figura 15. Estudio dinámico lineal en Solidworks

Luego se debe definir el tipo de material, donde se escoge, un acero 1020 laminado en frío, tal como se observa en la figura 16.

Figura 16. Selección del material.

Luego se define el tipo de contacto, el cual es una unión rígida, entre el acople motor y el plato intercambiable, lado convertidor de par, tal como se observa en la figura 17

Figura 17.Contacto de unión rígida entre el Plato y Acople

Luego se define el tipo de sujeción hacia el lado del convertidor de par, la cual es de rodillo/control deslizante, tal como se observa en la figura 18.

Figura 18.Sujeción del Acople en el extremo del lado de la caja

Seguidamente se selecciona el par torsor de 100 Nm, a aplicar por el lado motor, tal como se observa en la figura 19.

Figura 19 Zona de colocación del Par torsor aplicado desde el motor

Luego se procede a la definición del mallado, tal como se observa en la figura 20.

Figura 20.Definición del mallado en el modelo

Finalmente en las figuras 21 y 22, se muestran los resultados obtenidos. Se puede apreciar que las cargas generadas no superan el límite elástico del material seleccionado.

Figura 21.Valores de las tensiones generadas en el acoplamiento

Figura 22.Valores obtenidos de los desplazamientos en el Solidworks

Conclusiones

• La caja de cambios de velocidad en los vehículos automotores es la encargada de equilibrar el torque necesario en las ruedas con el par que genera el motor para mover el vehículo. Cuando son reparadas o reconstruidas las cajas automáticas longitudinales, una de las principales formas de verificar su funcionamiento correcto es instalándola en el vehículo y realizando un recorrido de prueba, lo que genera pérdida de tiempo y dinero. Una solución a este problema está en la utilización de un banco de pruebas de cajas de velocidades.

• El banco de ensayo está dirigido a comprobar el funcionamiento de cajas de velocidades automáticas longitudinales, específicamente para una caja A4Q, de un vehículo Toyota, Terios. Aunque el procedimiento se puede aplicar a cualquier caja longitudinal.

• Según el estudio realizado con SOLIDWORKS, y el material seleccionado el acople motor-convertidor de par no tendrá inconveniente de transmitir el par torsor que genera el motor SEAT, instalado en el banco de prueba TECNER.

Referencias bibliográficas

• 1. Porras, E. "Estudio en el banco de pruebas "tutor" para determinar la potencia y eficiencia de las turbinas pelton y francis en la facultad de ingeniería civil y mecánica". Ambato, Ecuador. 2011. Disponible en:

http://repo.uta.edu.ec/bitstream/handle/123456789/1303/Tesis%20104%20%20Porras%20Ort%C3%ADz%20Edwin%20Rub%C3%A9n.pdf?sequence=1

• 2. Tecner Ingeniería. "Banco Universal para Ensayo De Motores, Modelo D – 230"Nº Serie: 6.18.063. Italia. 2009.

• 3. Daihatsu Motor CO. LTD. Manual TERIOS 7500. Japón .2007.

• 4. Zúñiga, R. "Criterios de fatiga". Disponible en:

http://www.geociencias.unam.mx/~ramon/mecsol/Tema5.pdf

• 5. Escuela de ingenierías industriales. "Apuntes para una breve introducción a la resistencia de materiales y materiales relacionados". Universidad de Valladolid, España. 2011. Disponible en: http://www.eis.uva.es/reic/jc/IQweb/Docs_varios/apuntes_RMgrado.pdf

Autor:

Humberto Simón Peraza Martínez.