Evaluación de cajas de velocidad automáticas en un banco V-230 aplicando LabView

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. El funcionamiento básico de una caja se basa en la detención o unión de los elementos que constituyen los trenes planetarios, por medio de elementos de mando como son embragues de disco (que transmiten el movimiento) embragues de freno o de cinta (que detienen el movimiento).Esta detención o unión se realiza por intermedio del cuerpo de válvulas, a través de los solenoides, los cuales son comandados por el computador de la transmisión. Para que el computador energice los solenoides, básicamente se utilizan las señales de posición de la mariposa del paso de aire y la velocidad de salida de la caja. Además se debe generar un par o torque, para que así, la caja realice los cambios de velocidad o relación de velocidad. Estas señales son manejadas por el banco en rediseño. Por lo cual en esta investigación, la generación de la energizacion de los solenoides se hará a través de un control por computadora, empleando el software LABVIEW

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 si funciona correctamente 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 PCLD 8710. Para este trabajo se utilizó una Tarjeta de adquisición datos de NI tipo PCI 6023E, por lo cual la salida de conexión se tuvo que modificar para recibir la tarjeta de NI.

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, ya que esta es una de las variables a considerar, para que el programa LABVIEW, genere las señales o pulsos, al cuerpo de válvulas, de la caja de velocidad.

Los modos de funcionamiento típicos se describen a continuación. La versión estándar de los frenos 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).

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.

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.

Figura 6 Curvas para par constante.

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.

El tren planetario utilizado por esta transmisión [3] es del tipo Ravigneaux. Para lograr las diversas relaciones de velocidades, consta de los elementos de control del cambio de marcha, mostrados en la figura 10, los cuales se describen en la tabla 1.

Figura 10. Esquema general de un tren planetario Ravigneaux

Tabla 1. Elementos de control del cambio de marcha.

Fuente: Manual de la TERIOS.

Estos elementos de control del cambio de marcha, son manejados por los solenoides según lo mostrado en la tabla 2.

Tabla 2. Función de los solenoides

Fuente: Manual de la TERIOS.

El sistema de control de la transmisión [3] se compone del computador del control de la transmisión y el computador del motor, como se puede apreciar en la figura 11, donde aparecen los sensores, los interruptores, las válvulas solenoides, entre otros. El sistema realiza el control de cambios de las marchas o relaciones de velocidad, el control del embrague de enclavamiento del convertidor de par, entre otros.

El ordenador o computador de control de la transmisión determina la posición óptima del cambio y la energización / desenergización del enclavamiento de acuerdo con las condiciones de conducción, basándose principalmente en las señales de los sensores del % de abertura de la mariposa de entrada de aire y el de velocidad de salida de la caja, y así regula cada válvula solenoide, mostradas en la tabla 2, según lo indicado en la tabla 3, para llevar a cabo el control del cambio y del enclavamiento.

Tabla 3. Solenoides energizados, según la relación de velocidad requerida.

Fuente: Manual de la TERIOS.

Figura 11. Sistema de control de la caja. Fuente: Manual de la TERIOS.

Cuando la palanca de cambios está en la posición D, 2 o L, el ordenador o computador de control de la transmisión considera que el modo es el de cambio automático y determina la posición del cambio y la activación/desactivación del enclavamiento del convertidor de par, de acuerdo a como aparece en la Tabla 3, según la velocidad del vehículo o revoluciones del motor (ver figura 12) y la señal del grado de apertura de la mariposa, basándose en el esquema de la marcha seleccionada.

Figura 12. Curva de % de abertura de la mariposa vs velocidad o rpm.

Fuente: Manual de la Hyundai-Km 175[4]

Las válvulas solenoides que regula el computador para llevar a cabo el control del cambio y del enclavamiento, son las siguientes:

• Solenoide 1: Es del tipo lineal, y ella está integrada con la válvula reguladora de presión. Para cero corriente, cero presión

• Solenoide 2 y 3: son del tipo lineal, y ella está integrada con la válvula reguladora de presión Para cero corriente, máxima presión.

• Solenoide de marcha: Es del tipo on – off. Abre y cierra el paso de aceite.

• Solenoide LUC: Es del tipo on – off. Abre y cierra el paso de aceite. Se utiliza para eliminar la acción del convertidor de par. Pasa de un tipo de embrague hidráulico a embrague mecánico.

• Solenoide de cambio: Es del tipo de cambio on – off. Abre y cierra el paso del aceite.

El accionamiento o energización de las solenoides 1, 2 y 3, es la base principal de este trabajo, ya que a través del programa LABVIEW, se deben accionar, según la Tabla 3, para obtener las diferentes relaciones de velocidad de la caja de velocidad o transmisión.

Control por computadora.

En la bibliografía consultada, se constató que la primera propuesta para usar un computador operando en tiempo real como parte de un sistema de control, fue descrita por BROWN Y CAMPBELL, en 1850 [5]. En la figura 13 aparece un esquema del Sistema de control propuesto por Campbell.

Figura 13 Esquema de Sistema de control propuesto por Campbell

Se puede definir un sistema automatizado, o de control por computadora [6] como un sistema para la adquisición de datos, supervisión, control secuencial, control analógico digital, control digital directo, análisis de datos, procesamiento, emisión de señales, presentación y transmisión de la información, en tiempo real, por lo cual se debe conocer los software de tiempo real, como el LabView, o el Movicon; estos sistema de medición; se denominan sistema de supervisión y adquisición de datos (SCADA), (proveniente de su nombre en inglés Supervisory Control and Data Acquisition).

Los sistemas de tiempo real, son vías [7] en las cuales debe producirse la respuesta correcta en un espacio definido de tiempo. Si la respuesta del computador excede ese espacio de tiempo, entonces se obtendrá una degradación del desempeño o un mal funcionamiento.

Elementos de un sistema de control.

Los elementos básicos de un sistema de control digital, como se muestra en la figura 13, son los siguientes:

• Los elementos de la planta o fábrica.

• Las señales de entrada al computador.

• Las señales de salida (discretas o analógicas) entregadas por el computador.

• Software.

• Tareas.

Ventajas del uso del computador en el control de procesos

Las ventajas del uso del computador en el control de procesos son múltiples, entre ellas se podrían nombrar las siguientes:[8]

• Potencia: el control digital permite un procesamiento más sofisticado que el control analógico. La implementación de funciones no lineales complejas ya no suponen ningún problema pues se reducen a una línea de programa dentro del algoritmo de control.

• Precisión: aunque en el control digital aparecen retardos de cálculo, efectos de cuantización (errores en las conversiones A/D y D/A), su precisión es superior a los sistemas de control analógico

• Versatilidad: el cambio de un esquema de control a otro consiste únicamente en el cambio de una línea de programa.

• Eficacia: un único computador puede implementar múltiples tareas, desde varios lazos de control hasta sistemas monitor, comprobación de errores, presentación de resultados, etc.

• Fiabilidad: toda la teoría desarrollada para la fiabilidad y tolerancia a fallos en sistemas de microprocesadores son también aplicables en el control, haciendo de éste un método fiable y seguro Interfaz con el operador más amigable y potente por medio de periféricos fáciles de utilizar (teclados, ratones…) y de presentaciones gráficas, ventanas, menues.

Clasificación de los sistemas en tiempo real:

• Sistemas periódicos ó basados en un reloj.

• Sistemas basados en eventos

• Sistemas interactivos.

También se pueden clasificar en:

1. Tiempo real duro ( hard real-time)

2. Tiempo real suave ( soft real-time)

Clasificación de los programas empleado en Sistemas de control digital.

Los sistemas de control digitales requieren de programas (software) o lenguajes de programación, para su funcionamiento, que corren en la memoria del sistema.

• Programación secuencial, en este tipo las acciones se ordenan con una estricta secuencia.

• Programación multitarea, en este tipo existen un cierto números de tareas que se ejecutan en forma concurrentes o paralela.

• Programación en tiempo real, en este tipo las acciones, la secuencia de realización, no son determinadas por el diseñador, sino por el sistema mismo. En este proyecto, se trabaja con esta programación, utilizando el lenguaje de programación LABVIEW.

Clasificación de los procesos de control

1. Proceso por lotes (o batch).

2. Proceso continuo.

3. Procesos de laboratorio o de prueba.

Tipos de control.

• Control digital directo.

• Control interferencial.

• Control por adelanto de la señal.

• Control adaptativo. Control a trabajar nuestro proyecto.

• Control supervisor.

• Sistemas jerárquicos.

• Sistemas distribuidos.

• Interface Hombre– Máquina.

Variantes de los sistemas de medición y control.

• Unidades convencionales

• Sistemas modulares

• Sistemas de control distribuido.

Software para el desarrollo de aplicaciones de medición y control.

• RSVIEW

• LOOKOUT.

• LABVIEW. Este software es precisamente el utilizado en el proyecto.

Programa en Labview para evaluar funcionamiento de la caja automática A4Q.

LabVIEW es el acrónimo de Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbech [9] Es un lenguaje y a la vez un entorno de programación gráfica en el que se pueden crear aplicaciones de una forma rápida y sencilla, con funciones integradas para realizar adquisición de datos, control de instrumentos, análisis de mediciones y presentaciones de datos. Con LabVIEW usted coloca objetos ya construidos para rápidamente crear interfaces de usuario, en un PANEL DE CONTROL y después usted especifica la funcionalidad del sistema armando, DIAGRAMAS DE BLOQUES. LabVIEW es una herramienta de programación gráfica, orientado a aplicaciones de control de instrumentos electrónicos usadas en el desarrollo de sistemas de instrumentación, lo que se conoce como instrumentación virtual. Por este motivo los programas creados en LabVIEW se guardarán en ficheros llamados VI y con la misma extensión, que significa instrumento virtual (Virtual Instruments).

El programa desarrollado permite tanto el monitoreo del funcionamiento de la caja como una simulación de esta. (ver figura 14).

De acuerdo a lo explicado anteriormente las variables de entrada a la caja son:

• Velocidad del motor (rpm)

• Apertura de la mariposa (%)

• Torque resistivo (Nm)

Tal como se observa en la figura 14, en esta configuración, la velocidad real del motor, como variable de entrada no se registra. Pero si se puede observar, como variables de salida, el estado de los solenoides según la relación de velocidad. En la figura 14, se observa los solenoides 1 y 2, activados, lo cual indica que está en la segunda relación de transmisión. También se indica la velocidad del motor y en una gráfica de velocidad vs tiempo, el comportamiento histórico.

Además se brinda la posibilidad de que el usuario cambie manualmente las velocidades de salida a la cuales se realizan los respectivos cambios en la caja. Para la simulación con los datos reales del motor se puede introducir las relaciones de engrane.

Figura 14. Panel frontal del Sistema de comprobación del funcionamiento cajas de velocidad automáticas

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.

• Para la evaluación del funcionamiento de la caja automática A4Q se elaboró un programa en Labview. Este sistema de comprobación permite, tanto el monitoreo del funcionamiento de la caja como una simulación de esta.

• En el programa, la velocidad real del motor, como variable de entrada no se registra pero puede observarse como variable de salida. Así mismo, entre las facilidades para el análisis que el sistema brinda están: la velocidad del motor y una gráfica de velocidad vs tiempo, donde se registra el comportamiento histórico.

• Además brinda otras posibilidades al usuario, como cambiar manualmente las velocidades de salida a la cuales se realizan los respectivos cambios en la caja e introducir las relaciones de engrane para la simulación con los datos reales del motor.

Referencias bibliográficas

• http://repo.uta.edu.ec/bitstream/handle/123456789/1303/Tesis%20104%20

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

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

• Hyundai. Manual de caja automática-Km-175. Corea. 2000.

• http://automata.cps.unizar.es/Historia/Webs/computador_en_el_control_de_proc.htm

• Ballesteros Horta, R., "Sistemas de Medición", UCLV, 2009.

• http://artemisa.unicauca.edu.co/

• http://isa.umh.es/asignaturas/asc/practicas/IdentificacionServoComputador.pdf

• http://es.scribd.com/doc/97933245/Guia-de-Iniciacion-en-LabVIEW.

Autor:

Humberto Simón Peraza Martínez.