diseño y construcción de un registrador de vibraciones tesis (1)

UNIVERSIDAD POLITCNICA SALESIANA

Facultad de Ingenieras Carrera de Ingeniera Mecnica

Automotriz

DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN REGISTRADOR DE

VIBRACIONES PARA EL SISTEMA DE SUSPENSIN

TESIS DE GRADO PREVIO A

LA OBTENCIN DEL

TTULO DE INGENIERO

MECNICO AUTOMOTRIZ

TNLG. TITO JAVIER ESPINOZA VLEZ

DIRECTOR: ING. FABIN CABRERA

Cuenca, Mayo 2006

II

DECLARACIN

Yo Tito Javier Espinoza Vlez, declaro bajo juramento que el trabajo aqu descrito

es de mi autora; que no ha sido previamente presentado para ningn grado o

calificacin profesional; y, que he consultado las referencias bibliogrficas que se

incluyen en este documento.

A travs de la presente declaracin cedo mis derechos de propiedad intelectual

correspondientes a este trabajo, a la Universidad Politcnica Salesiana, segn lo

establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la

normatividad institucional vigente.

Firma: __________________________

Tnlg. Tito Javier Espinoza Vlez

III

CERTIFICACIN

Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por el Tnlg. Tito Javier Espinoza

Vlez, bajo mi supervisin.

Firma: _______________________

Ing. Fabin Cabrera

DIRECTOR DE PROYECTO

IV

DEDICATORIA

A mis familiares, compaeros y amigos........

V

AGRADECIMIENTO

Mi agradecimiento a todas las personas involucradas en este proyecto que

aportaron al desarrollo y culminacin del mismo, entre ellas:

A mis padres, por el apoyo de siempre.

A mi director de tesis Ing. Fabin Cabrera por los invalorables

conocimientos que puso a mi disposicin.

A mis compaeros y amigos, por las pequeas aportaciones hechas en

este proyecto, pero que sin duda han sido determinantes en el resultado

final.

A todos los profesores que tuve en el transcurso de mi vida universitaria,

puesto que han contribuido a que al trmino de esta etapa posea slidos

conocimientos tcnicos y me sienta en capacidad de iniciarme en la vida

profesional.

A todas las personas cuya presencia infundi en mi las ganas y el deseo

de dar por terminada esta etapa en mi vida.

VI

INDICE

CONTENIDOS:

CAPTULO I: TEORA GENERAL DE LAS VIBRACIONES EN EL AUTOMVIL

1.1 Evolucin del Estudio de las Vibraciones 1

1.1.1 Primera Etapa: Los Orgenes 1,2

1.1.2 Segunda Etapa: La Formalizacin 2,3

1.1.3 Tercera Etapa: La Aplicacin 4

1.2 Definicin de Vibraciones 5

1.3 Parmetros de las Vibraciones 5

1.4 Clasificacin de las Vibraciones 5

1.5 Causas de las Vibraciones Mecnicas 6

1.6 Consecuencias de las Vibraciones 6

1.7 Vibraciones Mecnicas en el Vehculo 7,8

1.8 Modelo Matemtico de las Vibraciones Libres Amortiguadas 9-15

1.9 Aplicacin de un Modelo Matemtico al Sistema de Suspensin 16

VII

CAPTULO II: DISEO DEL SISTEMA ELECTRNICO DE ADQUISICIN DE

DATOS

2.1 Esquema Elctrico 18

2.2 Caractersticas Tcnicas 18,19

2.3 Descripcin de los Componentes 20

2.3.1 Sensor 20

2.3.1.1 Caractersticas del Sensor 20

2.3.1.1.1 Curvas de Respuesta Distancia-Voltaje 20,21

2.3.1.2. Circuito Elctrico de Conexin del Sensor 22

2.3.2 Regulador de Voltaje 7805 22,23

2.3.3 Microcontrolador 23-25

2.3.3.1 Circuito de Conexin del Microcontrolador 26

2.3.4 Protocolo de Comunicacin RS-232 26,27

2.3.4.1 Circuito de Conexionado del Max 232 28

2.3.5 Conector DB9 29,30

2.4 Funcionamiento del Circuito 31,32

VIII

CAPTULO III: CONSTRUCCIN DE LOS CIRCUITOS ELECTRNICOS DE

ADQUISICIN DE DATOS Y ADAPTACIN DE LOS SENSORES

3.1 Construccin de los Circuitos Electrnicos de Adquisicin de Datos 34

3.1.1 Diseo y Construccin del Circuito Impreso 34

3.1.1.1 Materiales, Componentes y Herramientas Utilizadas 34,35

3.1.1.2 Proceso de Diseo y Construccin 36-39

3.1.1.2.1 Soldadura e Insercin de Componentes 39-41

3.1.2 Detalles Constructivos 41-45

3.2 Adaptacin de los Sensores 46

3.2.1 Construccin del Porta Emisor y Porta Receptor 46

3.2.1.1 Materiales Utilizados 46

3.2.1.2 Maquinas Herramientas utilizadas 46

3.2.1.3 Proceso de Construccin del Porta Emisor y Porta Receptor 46,47

IX

CAPTULO IV: DISEO E IMPLEMENTACIN DEL SOFTWARE DE

ADQUISICIN, ALMACENAMIENTO Y ANLISIS

4.1 Software de Adquisicin de Datos 52

4.1.1 Descripcin del Software 53-55

4.1.2 Diagrama de Flujo 56

4.1.2.1 Programa Principal 56

4.1.2.2 Rutina de Conversin Analgica/Digital 57

4.2 Software de Almacenamiento y Anlisis de Datos 58

4.2.1 Descripcin del Software 58-61

X

CAPTULO V: PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO

5.1 Diseo y Construccin de la Maqueta 63

5.1.1 Caractersticas de la Maqueta 63

5.1.1.1 Materiales utilizados 63,64

5.1.2 Proceso de Construccin 64

5.2 Determinacin del Coeficiente de Elasticidad del Muelle 66-68

5.3 Montaje del Muelle 68

5.4 Pruebas de Funcionamiento 69

5.4.1 Pruebas del Sensor 69,70

5.4.2 Pruebas del Sistema Electrnico 70-72

5.4.3 Pruebas de Adquisicin y Graficacin de Seal 72-77

XI

CAPTULO VI: ANLISIS DE RESULTADOS Y CORRECCIN DE ERRORES

6.1 Clases de Resultados 80

6.1.1 Valores de Frecuencia Mayores al Rango Tolerable 80

6.1.1.1 Causas que Producen Valores de Frecuencia Mayores al Rango

Tolerable 81

6.1.1.2 Efectos en la Salud Humana 81

6.1.1.2.1 Malestar 81

6.1.1.2.2 Interferencia con la actividad 81

6.1.1.2.3 Alteraciones de las funciones fisiolgicas 81

6.1.1.2.4 Alteraciones neuromusculares 82

6.1.1.2.5 Alteraciones cardiovasculares, endocrinas y metablicas 82

6.1.1.2.6 Alteraciones sensoriales y del sistema nervioso central 83

6.1.1.2.7 Problemas en la columna vertebral 84

6.1.1.3 Soluciones 84

6.1.2 Valores de Frecuencia Menores al Rango Tolerable 85

6.1.2.1 Causas de Valores de Frecuencia Menores al Rango Tolerable 85

6.1.2.1.1 Carga excesiva del vehculo 85

6.1.2.1.2 Desgaste de los amortiguadores 85

6.1.2.1.3 Falta de recuperacin de los muelles 85

6.1.2.2 Efectos en la Salud Humana 86

6.1.2.2.1 Mareo 86

6.1.2.3 Soluciones 86

6.1.2.3.1 Cambio de muelles 86

6.1.2.3.2 Cambio de amortiguador 86

6.2 Correccin de Errores 87,88

XII

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 89-92

BIBLIOGRAFIA 93

ANEXOS 94-127

TABLAS:

Tabla 1.1 Aportacin a las Vibraciones. 1ra. Etapa: LOS ORIGENES, 2

Tabla 1.2 Aportacin a las Vibraciones. 2da. Etapa: LA FORMALIZACIN, 3

Tabla 1.3 Aportacin a las Vibraciones. 3ra. Etapa: LA APLICACIN, 4

Tabla 1.4 Vibraciones Mecnicas en el Vehiculo, 8

Tabla 2.1 Caractersticas del PIC 16F870, 25

Tabla 2.2 Descripcin de pines del DB9, 29

Tabla 3.1 Caractersticas del Potencimetro de Precisin, 43

Tabla 5.1 Resultados Determinacin de Coeficientes de Elasticidad. UTPL, 67

Tabla 5.2 Resultados Determinacin de Coeficiente de Elasticidad del

Muelle.UPS, 68

Tabla 5.3 Resultados Pruebas del Sensor, 69

Tabla 5.4 Resultados Pruebas de Adquisicin y Graficacin de Seal, 77

Tabla 6.1 Vibraciones Mecnicas en el Vehiculo, 80

LMINAS:

Lamina 1 Porta Emisor, 48

Lamina 2 Porta Receptor, 49

Lamina 3 Maqueta, 65

XIII

INTRODUCCION

Se denomina suspensin al conjunto elstico que media entre los

elementos suspendidos (bastidor, carrocera, pasajeros y carga) y los no

suspendidos (ruedas y ejes); cuya finalidad es la de absorber las

reacciones producidas en las ruedas debido a las desigualdades que

pudiera presentar el terreno.

El Sistema de Suspensin en los vehculos, es de vital importancia en lo

que respecta a la seguridad y confort de los ocupantes. Es as que estudios

recientes demuestran que la exposicin prolongada a vibraciones de

cuerpo completo, como las producidas en los ocupantes de un vehculo y

cuya frecuencia se encuentre por encima de lo lmites correspondientes al

del balanceo normal del cuerpo humano (1Hz-2Hz), se halla ntimamente

ligada a problemas en la salud en el orden fisiolgico como

neuromuscular.

Por lo expuesto anteriormente el mantenimiento de este sistema se

constituye en primordial, ms an cuando al estar constituido por partes

elsticas sometidas a cargas continuas es susceptible al desgaste y la

fatiga, lo que provoca variaciones en el rango de oscilacin. Siendo

necesario pues para un adecuado mantenimiento contar con un equipo-

herramienta que nos permita conocer este rango.

Este proyecto de tesis se ha desarrollado con el fin de poder conocer el

estado de un sistema de suspensin, a travs de la determinacin de su

frecuencia de funcionamiento de tal forma que se pueda tomar medidas

correctivas de darse el caso.

En el capitulo I se hace un anlisis terico de las vibraciones en el que se

definen conceptos y ecuaciones que rigen el movimiento.

El capitulo II, III y IV se centra en lo que es el diseo y construccin de los

sistemas y circuitos electrnicos de adquisicin de datos y la adaptacin de

los sensores.

XIV

En el capitulo V se realizan las pruebas de funcionamiento, con el fin de

poder determinar si es que el sistema est acorde con los requerimientos

del proyecto.

En el capitulo VI, se realiza un anlisis de los resultados obtenidos y se

procede a la correccin de errores.

Ciertamente que este prototipo tiene algunas limitaciones, pero constituir

sin duda alguna una gua de gran utilidad para estudios ms profundos que

permitan el perfeccionamiento del sistema y su aplicacin a situaciones

ms complejas

T.J.E.V

Teora General de las Vibraciones en el Automvil

- 1 -

TEORA GENERAL DE LAS VIBRACIONES EN EL

AUTOMVIL

El estudio de este capitulo es de gran importancia, por cuanto nos permitir

conocer las bases tericas as como los modelos matemticos que rigen las

vibraciones, lo que nos facilitar la posterior comprensin de los programas de

anlisis de datos que se detallarn en captulos posteriores.

1.1 EVOLUCIN DEL ESTUDIO DE LAS VIBRACIONES

Desde que aparecieron los primeros instrumentos musicales, en especial

los de cuerda, la gente ya mostraba un inters marcado por el estudio del

fenmeno de las vibraciones.

A travs de la historia grandes matemticos elaboraron un sinnmero de

aportaciones que hicieron del fenmeno de las vibraciones toda una ciencia, a tal

punto que en la actualidad se ha constituido en una de las ms estudiadas y

aplicadas en la industria.

La evolucin en el estudio de las vibraciones puede clasificarse en las

siguientes etapas:

1.1.3 PRIMERA ETAPA: LOS ORIGENES

Conformada por las personas y acontecimientos que sentaron las bases

conceptuales del campo de las vibraciones y esta comprendida desde la

antigedad hasta el renacimiento, esto es, aproximadamente desde el ao 3000

A.C. hasta el 1500 de nuestra era. Pueden reconocerse en este periodo aspectos

como:

La msica y los instrumentos musicales

La aparicin de los conceptos bsicos de metodologa cientfica

Los principios bsicos de vibraciones como son: movimiento, frecuencia

natural, resonancia, energa, aislamiento, medicin.


- 2 -

A continuacin un listado con los nombres de los principales protagonistas

o cronistas de esta etapa y sus aportaciones. Tabla 1.1

Tabla 1.1 Aportacin a las Vibraciones. 1ra. Etapa: LOS ORIGENES

PERSONAJE APORTACION A LAS VIBRACIONES

Fohi (3000 a.C.) Consonancias, Libro sobre Msica

Tales de Mileto (640 - 546 a.C.) Mtodo Cientfico

Pitgoras de Samos (ca 570 - 497 a.C.) Frecuencia Natural, Teora de Nmeros, Vibracin de Cuerdas Tensas

Herodoto (ca 484 - 425 a.C.) Reporta un Transductor de Vibracin

Aristfanes (450 - 388 a.C.) Oscilador

Platn (ca 429 - 347 a.C.) Vibracin Simptica

Aristteles (384 - 322 a.C.). Leyes de Movimiento, Libro sobre Acstica

Euclides (350 -2 75 a.C.) Pndulo usado como Medidor de Vibraciones

Alejandro de Afrodisias (principio siglo 3 a.C.)

Energa Cintica y Potencial

Arquimides (287 - 212 A.C.) Leyes sobres Esttica, Hidrosttica

Vitruvius (Primer siglo d.C.) Sismgrafo Chino

Boethius (480 - 524) Referencia a Pitgoras, Msica

1.1.2 SEGUNDA ETAPA: LA FORMALIZACIN

Est comprendida desde la poca del Renacimiento hasta mediados del

siglo XIX. En esta poca se da un gran desarrollo matemtico y conceptual que

consolida el cuerpo terico de las vibraciones, as como progresos en la

instrumentacin.

A continuacin los principales protagonistas y sus aportaciones en esta

etapa. Tabla 1.2


- 3 -

Tabla 1.2 Aportacin a las Vibraciones. 2da. Etapa: LA FORMALIZACIN


Leonardo da Vinci (1452 - 1519) Trabajos sobre Mecnica

Galileo Galilei (1564 - 1612) Medicin de la Frecuencia de Pndulos

Marinus Mersenne (1588 - 1648) Cuerdas Vibrantes

Christian Huygens (1629 - 1695) Reloj de Pndulo, no Linealidad

Isaac Newton (1642 - 1727) Leyes de Movimiento

Gottfried Leibnitz (1646 - 1716) Clculo

Joseph Sauveur (1653 - 1716) Armnicos en Vibraciones

Daniel Bernoulli (1700-1782) Hidrodinmica, Ecuacin Diferencial de Vibracin Lateral en Vigas

Leonhard Euler (1707 - 1783) Principio de Superposicin

Jean le Rond DAlembert (1717 - 1783) Ecuacin de Onda

Joseph-Louis Lagrange (1736 - 1813) Ecuacin de Lagrange

C.A. Coulomb (1736 - 1806) Vibracin Torsional

Pierre-Simon Laplace (1749 - 1827) Transformada de Laplace

E.E.F. Chladni (1756 - 1824) Vibracin de Vigas y Platas

Jacob Bernoulli (1759 - 1789) Vibracin de Placas

Jean Baptiste Joseph Fourier (1768 -1830)

Carl Friedrich Gauss (1777 - 1855) Distribucin Gaussiana

Simeon-Denis Poisson (1781 - 1840) Movimiento de Slidos Elsticos

Claude Louis Maria Henry Navier (1785 - 1836)

Vibracin de Slidos


- 4 -

1.1.3 TERCERA ETAPA: LA APLICACIN

Una vez efectuadas todas las investigaciones sobre el amplio campo de las

vibraciones vino la aplicacin ingenieril la cual quedo plasmada por el desarrollo

de la maquinaria de alta velocidad como locomotoras, autos, aviones.

Esta etapa estuvo comprendida desde aproximadamente 1850 a 1950.

Los personajes ms relevantes de esta poca en la Tabla 1.3

Tabla 1.3 Aportacin a las Vibraciones 3ra. Etapa: LA APLICACIN


Arthur Cayley (1821 - 1895) Algebra Matricial

Edward John Routh (1831 - 1907) Sistemas de Varios Grados de Libertad

Clobsch (1833 - 1872) Teora General de Vibraciones

John William Strutt, Lor Rayleigh (1842-1919)

Mtodos de Energa, Primer Tratado de Vibraciones

Carl Gustaf Patric De Laval (1845 - 1913)

Dinmica de Mquinas de Alta Velocidad

Henry Poincar (1854 - 1912) Vibracin no Lineal

August Foppl (1854 - 1924) Libro sobre Mecnica, Dinmica de Rotores de un Solo Disco

Heinrich Hertz (1857 - 1894) Ondas Electromagnticas

Alksandr Mikhailvich Liapounov (1857 -1918)

Estabilidad de Sistemas y de Movimiento

Boris Grigorevich Galerkin (1871 - 1945) Teora de Elasticidad

Burt Leroi Newkirk (1876 - 1964) Libro sobre Mecnica y Vibraciones

Walter Ritz (1878 - 1909) Mtodos Numricos

Lee Hunter (1913 - 1986) Tcnicas de Balanceo

Hort Primer Libro de Ingeniera de las Vibraciones

J.P. Den Hartog Libro sobre Vibraciones

(1)

1 El texto anterior, incluidas las tablas se tomaron de:

www.monografias.com/trabajos/vibramec/html


- 5 -

1.2 DEFINICIN DE VIBRACIONES

Los sistemas de ingeniera que poseen masa y elasticidad estn en

capacidad de tener movimiento relativo; si el movimiento de estos sistemas

persiste en el tiempo el movimiento se conoce como vibracin. La vibracin es,

en general, una forma de energa disipada y en muchos casos inconveniente.

Esto es particularmente cierto en maquinaria ya que debido a las vibraciones se

producen ruidos y se transmiten fuerzas y movimientos indeseables a los objetos

muy cercanos.

1.3 PARMETROS DE LAS VIBRACIONES

PERIODO: Es el intervalo de tiempo necesario para que el sistema efecte

un ciclo completo de movimiento.

FRECUENCIA: Es el nmero de ciclos por unidad de tiempo que efecta el

sistema

AMPLITUD: Es el desplazamiento mximo del sistema desde su posicin

de equilibrio.

1.4 CLASIFICACIN DE LAS VIBRACIONES

VIBRACIN LIBRE: Es cuando un sistema vibra debido a una excitacin

instantnea. Las fuerzas actuantes son la fuerza del resorte, la fuerza de friccin y

el peso de la masa.

VIBRACIN FORZADA: Es cuando un sistema vibra debido a una excitacin

constante.

VIBRACIN AMORTIGUADA: Es cuando la vibracin de un sistema es disipada.


- 6 -

1.5 CAUSAS DE LAS VIBRACIONES MECNICAS

Las causas que originan las vibraciones mecnicas son muchas, pero

dentro de las principales tenemos aquellas relacionadas con tolerancias de

mecanizacin, desajustes, movimientos relativos entres superficies en contacto,

desbalances de piezas en rotacin u oscilacin, todos estos fenmenos producen

casi siempre un desplazamiento del sistema desde su posicin de equilibrio

estable originando una vibracin mecnica.

1.6 CONSECUENCIAS DE LAS VIBRACIONES

La mayor parte de vibraciones en mquinas y estructuras son indeseables

porque aumentan los esfuerzos y las tensiones y por las prdidas de energa que

las acompaan. Adems son fuentes de desgaste de materiales, de daos por

fatiga y de movimientos y ruidos molestos. ( 2 )

2 El texto anterior se tom de: www.monografias.com/trabajos14/vibraciones/html


- 7 -

1.7 VIBRACIONES MECNICAS EN EL VEHCULO

Las vibraciones mecnicas en el vehculo se presentan principalmente en el

momento en que entra en funcionamiento el sistema de la suspensin debido a

las irregularidades que pudiera presentar el terreno.

Si los elementos del sistema de suspensin se encuentran en buen estado

los periodos de oscilacin del mismo correspondern al de balanceo normal del

cuerpo humano que comprende valores entre 0.5 segundos y 1 segundo

correspondientes a valores de frecuencia de 2Hz y 1Hz respectivamente; por lo

que sern tolerados por el pasajero sin perjuicio para la sensacin de confort, por

lo cual resulta de vital importancia mantener lo ms invariable posible este rango.

La suspensin es uno de los elementos ms importantes dentro del

concepto de vehculo en lo que respecta a seguridad y confort de sus ocupantes.

Sin embargo muchas veces dejamos de lado el mantenimiento de la suspensin,

olvidando que al estar constituida por elementos elsticos y sometida a cargas

continuas es susceptible al desgaste y la fatiga, lo que origina grandes problemas

como es el aumento en la frecuencia de oscilacin que se traduce en

incomodidad e inseguridad para los ocupantes del vehculo. Siendo necesario

sealar que hoy en da el 40% de los accidentes debido a fallas mecnicas estn

asociados a problemas de la suspensin.

As mismo el aumento en la frecuencia de oscilacin produce el desgaste

de los componentes mecnicos mviles.

Ver Tabla 1.4


- 8 -

Tabla 1.4 Vibraciones Mecnicas en el Vehculo

Periodo de Oscilacin(s)/Frecuencia(Hz)

Impresin de Confort Tolerancia Fsica

0.2 / 5 Mala Intolerable

0.4 / 2.5 Mala Intolerable

0.5 / 2 Confortable Tolerable

0.9 / 1.1 Confortable Tolerable

1.0 / 1 Confortable Tolerable

1.26 / 0.8 Excesivamente

confortable Tendencia al mareo

( 3 )

3 El texto anterior, incluida la tabla se tom de: www.km77.com/tecnica/bastidor/pendulo/texto.asp


- 9 -

1.8 MODELO MATEMTICO DE LAS VIBRACIONES LIBRES

AMORTIGUADAS

PLANTEAMIENTO

Se tomar un resorte ordinario resistente a la compresin como a la

extensin y que est suspendido verticalmente de un soporte fijo. En el extremo

inferior del resorte se sujeta un cuerpo de masa m. Se supone que m es tan

grande que se puede despreciar la masa del resorte. Si se conecta la masa a un

amortiguador entonces se tiene en cuenta el amortiguamiento viscoso

correspondiente. Figura 1.1

Figura 1.1

Se elige la direccin hacia abajo como positiva, considerando como

positivas a las fuerzas que actan hacia abajo y como negativas a las que actan

hacia arriba.

La fuerza ms obvia que acta sobre el cuerpo es la atraccin de la

gravedad

(1) gmF 1 =


- 10 -

En donde m es la masa del cuerpo y g = 980 cm/s2 es la aceleracin de la

gravedad.

La siguiente fuerza que debe considerarse es la del resorte, ejercida por

ste ltimo si se encuentra deformado. Los experimentos indican que esta fuerza

es proporcional a la deformacin, esto es:

sKF = (Ley de Hooke)

En donde s es la deformacin. La constante de proporcionalidad K se

llama mdulo del resorte.

Si 1s = , entonces kF = El resorte es ms rgido entre mayor sea k.

Cuando el cuerpo se encuentra en reposo, su posicin se describe como de

equilibrio esttico. Evidentemente en esta posicin el resorte est deformado en

una cantidad s0 tal que la resultante de la fuerza correspondiente del resorte y la

gravitacional (1) es cero. De donde esta fuerza del resorte acta hacia arriba y su

magnitud ks0 es igual a la de F1; esto es

(2) gmks 0 =

Denotando por )t(yy = el desplazamiento del cuerpo respecto de su

posicin de equilibrio esttico, con la direccin positiva hacia abajo.

A partir de la ley de Hooke, se deduce que la fuerza del resorte

correspondiente a un desplazamiento y es

(3) =2F - 0ks - ky

Siendo F2 de la fuerza del resorte ks0, cuando el cuerpo est en la

posicin de equilibrio esttico, y la fuerza adicional del mismo resorte, -ky,

causada por el desplazamiento. Observe que se ha elegido apropiadamente el

signo del ltimo trmino en (3), ya que cuando y es positivo, -ky es negativa y,

de acuerdo con lo supuesto representa una fuerza hacia arriba, mientras que para

y negativo, la fuerza ky representa una hacia abajo.


- 11 -

La fuerza de amortiguamiento que corresponde tiene la direccin opuesta al

movimiento instantneo y se supondr que es proporcional a la velocidad y =

dy/dt del cuerpo. Generalmente esta es una buena aproximacin, al menos para

velocidades pequeas. As entonces la fuerza de amortiguamiento tiene la forma:

=3F - yc

Se debe tener en cuenta que la constante de amortiguamiento c es

positiva. Si y es positiva el cuerpo se mueve hacia abajo (en la direccin y

positiva) y yc debe ser una fuerza hacia arriba, es decir, por convencin, - yc < 0,

lo cual implica c > 0. Para y negativa, el cuerpo se mueve hacia arriba y - yc

representa una fuerza hacia abajo, esto es, - yc >0, lo cual implica c>0.

La resultante de las fuerzas que actan sobre el cuerpo ahora es

mgFFF 321 =++ - 0ks - ky - yc

Ver figura 1.2

Figura 1.2


- 12 -

De donde por la segunda ley de Newton

=ym - ky - yc

Y se ve que el movimiento del sistema mecnico amortiguado se rige por la

ecuacin diferencial lineal con coeficientes constantes

0kyycym =++

La ecuacin caracterstica correspondiente es

0m

k

m

c

2=++

Las races son

mk4-cm2

1

m2

c

2

2,1=

Si se aplican las notaciones abreviadas

m2

c= y

m2

1= mk4-c

2

Se puede escribir

=1 + y =

2

La forma de la solucin de depender del amortiguamiento, tenindose los

casos siguientes:


- 13 -

CASO I mk4c 2 > . Races reales distintas. (Sobreamortiguamiento)

Solucin: ec)t(y1

=-( - )t

ec2

+-( + )t

CASO II mk4 c 2 < . Races reales conjugadas (Subamortiguamiento)

i = * en donde * 2c-mk4m2

1=

Las races de la ecuacin caracterstica son complejas conjugadas:

=1 *i+ y =

2 *i

Solucin: e)t(y =- t ACos( * t ) t * BSen+ = Ce t -t*(Cos )

En donde 222

BAC += y tan = B/A

Otra forma de representar esta solucin sera:

( )Seney)t(y dtt)m2/c(0 += -

Donde d esta definida por la relacin:

=d2

c-mk4m2

1

Aun cuando el movimiento no es realmente repetitivo, la constante d suele

denominarse pulsacin, o frecuencia angular de la vibracin amortiguada.

El coeficiente de amortiguamiento en funcin de los decrecimientos

logartmicos esta dado por la formula:


- 14 -

2

2

2

)2y

1y(ln4

mk4*)2y

1y(ln

c

+

=

Cuya demostracin es la siguiente:

Teniendo presente que para una vibracin libre de tipo subamortiguada se

tiene:


Y que las mximas amplitudes en un ciclo ocurren cuando ( )Sen dt + es

igual a la unidad, por lo que las mximas amplitudes son:

y1 = 1t)m2/c(

0ey- y y2 =

2t)m2/c(0ey

-

Por lo que:

)t- t)(m2/c(

2

112

ey

y=

Aplicando logaritmos a esta razn tenemos:

)t-t(m2

c

2y

1yln 12=

Y debido a que la diferencia de tiempo entre dos amplitudes consecutivas es

el periodo de la oscilacin d

12

2)t-t( = y que =d 2c-mk4

m2

1

Tenemos:

2c- mk4

c2

2y

1yln =


- 15 -

Despejando c tenemos:

2

2

2

)2y

1y(ln4

mk4*)2y

1y(ln

c

+

=

L.Q.Q.D

Ver Figura 1.2

Figura 1.2

CASO III mk4c 2 = . Una raz real doble (Amortiguamiento crtico)

= 0, =1 =

2 -

Solucin: e)CtC()t(y21

+=- t

(4)

4 El texto anterior se tom de: HIBBELER, R.C. Mecnica para Ingenieros: Dinmica.

Pg.1233-1235; Matemticas Avanzadas para Ingeniera KREISZIG. Pg. 103-114


16

1.9 APLICACIN DE UN MODELO MATEMTICO AL SISTEMA DE

SUSPENSIN

De los casos estudiados anteriormente, el que se adapta al

funcionamiento de la suspensin es aquel que presenta una solucin del tipo:


Por lo que se deduce que se trata de un movimiento libre subamortiguado.

Figura 1.3

Figura 1.3

En donde:

M= de la masa total del vehiculo, esto cuando se realice el anlisis de

uno de los cuatro grupos independientes de suspensin.

K= Modulo del Resorte

C= Coeficiente de Amortiguamiento Viscoso, cuyo valor depender de

las caractersticas del amortiguador utilizado.

Diseo del Sistema Electrnico de Adquisicin de Datos

- 18 -

DISEO DEL SISTEMA ELECTRNICO DE ADQUISICIN

DE DATOS

En este captulo, se detalla: el esquema elctrico de los circuitos de

alimentacin, de adquisicin y envo de datos; las caractersticas tcnicas,

componentes y funcionamiento de los circuitos. Todo esto nos permite entender la

forma en que interactan los diferentes elementos para proporcionar una

respuesta.

2.1 ESQUEMA ELCTRICO Figura 2.1 El circuito electrnico est diseado de forma que cumpla con las siguientes

funciones:

Toma de datos analgicos a travs del sensor, la cual se realiza cada 0.1

segundos durante un periodo de tiempo de 1 minuto, con lo que se obtiene

600 muestras.

Conversin de los datos analgicos a digitales, que es realizada por el

conversor analgico/digital del microcontrolador.

Envo de datos digitalizados al PC por puerto serial, comunicacin

asncrona a travs del mdulo USART a una velocidad de 9600 baudios.

2.2 CARACTERSTICAS TCNICAS

La alimentacin del sistema se realiza a travs de un circuito alimentador

de corriente continua, que proporciona 5V.

Interruptor ON/OFF, que permite la alimentacin del sistema.

Pulsante para comenzar el proceso que comprende desde la toma de

datos analgicos hasta el grafico de datos digitalizados en el PC

Pulsante para detener el proceso comprendido desde la toma de datos

analgicos hasta el grfico de datos digitalizados en el PC


- 19 -

Conjunto de leds sealizadores

Comunicacin serial asncrona con el PC utilizando el protocolo RS -232A

1 2 3 4

A

B

C

D

4321

D

C

B

A

RA02

RA13

RA24

RA35

RA4 /T0CKI6

RA5 /SS7

RB0 /INT2 1

RB12 2

RB22 3

RB32 4

RB42 5

RB52 6

RB62 7

RB72 8

RC0 /T1OSO/T1 CKI1 1

RC1 /T1OSI/CCP21 2

RC2 /CCP11 3

RC3 /SCK/SCL1 4

RC4 /SDI/SDA1 5

RC5 /SDO1 6

RC6 /TX/CK1 7

RC7 /RX/DT1 8

MCLR/VPP1

OSC1/CLKIN9

OSC2/CLKOUT1 0

U2

PIC1 6F8 7 0-20 /JW(28 )

Y1

2 0MHZ

C22 2P

C32 2PVCC

1

2

3

J1

POWER

C1

0 .1 UF

C6

0 .1 UF+ C4

1 00 0 UF+ C5

1 00 0 UF

D1

DIODE

Vin1

GN

D

2

Vo ut3

U1

7 80 5+12 V VCC VDD

+

C7

1 uF

+

C8

1 uF

+ C1 0

1 uF+ C9

1 uF

R1 IN1 3

R2 IN8

T1IN1 1

T2IN1 0

GN

D1

5V

+2

V-

6V

CC

16

R1 OUT1 2

R2 OUT9

T1OUT1 4

T2OUT7

C1 +1

C2 +4

C1 -3

C2 -5

U3

DS23 2 A(1 6 )

TX

VCC

VCC

1 6 2 7 3 8 4 9 5

J 3

DB9

D2

LED

D3

LED

R5

5 60

R6

5 60

1

2

3

4

J2

CON4

R1

5 60R2

1 K

+12 V

1

3

2

R3

1 00 K

1

3

2R41 00 K

12

S1

PON

12

S2

POFF

R8

1 K

R9

1 K

1 2

J4

ON/OFF

1

2

3

J5

FILTRO

1

3

2

R7

1 00 K

VCC

R1 0

5 60

D4

LED

R1 1

RES1

D5

LED

RX

Figura 2.1


- 20 -

2.3 DESCRIPCIN DE LOS COMPONENTES

2.3.1 SENSOR

El sensor utilizado para la toma de datos analgicos est constituido por un

emisor infrarrojo y un receptor del tipo fototransistor. Figura 2.2

Figura 2.2

El emisor enva un rayo luminoso al receptor el cual provoca una seal de

voltaje cuyo valor depende de la incidencia del rayo la que varia con la distancia

existente entre emisor y receptor.

2.3.1.1 Caractersticas del Sensor 2.3.1.1.1 Curva de Respuesta Distancia-Voltaje

Figura 2.3


- 21 -

Curvas de Respuesta Distancia-Voltaje

7

7,5

8

8,5

9

9,5

10

10,5

11

11,5

12

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Distancia (mm)

Vo

lta

je (

V)

Figura 2.3

Al analizar la curva de respuesta Distancia-Voltaje podemos deducir que no

se trata de un sensor de tipo lineal, ya que al aumentar la distancia aumenta el

valor de voltaje pero no de una forma proporcional.

Considerando que en la Figura 2.3 el eje x o de las abscisas est

representado por el eje Distancia y el eje y o de las ordenadas por el eje

Voltaje, la curva obedece a la grfica de una parbola que se abre hacia la

derecha cuyo vrtice es el punto (0,7.2) y cuya ecuacin es (y -7.2)2 = 4px2 donde

p es el valor del foco y en este caso es mayor a cero.


- 22 -

2.3.1.2 Circuito Elctrico de Conexin del sensor

Figura 2.4

1 2 3 4 5 6

A

B

C

D

654321

D

C

B

A

Title

N umbe r R evis ionSize

B

D ate : 12-M a r-2006 Shee t of

File: C :\M is doc ume ntos\va rios \PAR TICU LA R\M EC A NIC O \Inte rfac e _me c a nic a .ddbD raw n By:

+12V

FOTO TRA N SISTO R

IN _SEN SO R

1

2

3

4

J 2

C ON 4

LEDIN FR A RR O JO

R 1 560

R 2 1k

R 3 100k

R 4 100k

R 7 100k

Figura 2.4

2.3.2 REGULADOR DE VOLTAJE 7805

El 7805 fija el nivel de tensin en 5V. Figura 2.5

Figura 2.5


- 23 -

El 7805 se utiliza en el circuito de alimentacin. Figura 2.6

1 2 3 4 5 6

A

B

C

D

654321

D

C

B

A

Title


B



V i1

Gn

d

2

V o3

U 1

7805

C 4

10

00

uF C 5

10

00

uF D 4

V ccD 1

D IOD E

1

2

3

J 1

POW ER

C 6

0.1

uF

C 1

0.1

uF

R 10

560

+12V

Figura 2.6

2.3.3 MICRONCONTROLADOR

De entre todos los tipos de microcontroladores, resulta muy difcil catalogar

al mejor, pero de acuerdo a los requerimientos del proyecto se opt por la familia

de los PIC, especficamente el 16F870. Figura 2.7 y Tabla 2.1

Dentro de las ventajas que presentan los microcontroladores que

pertenecen a esta familia tenemos:

- Sencillez de manejo

- Buena informacin

- Herramientas de desarrollo de fcil aplicacin

- Elevada facilidad de funcionamiento

- Juego reducido de instrucciones

- Programas compactos

- Bajo consumo

Adems es importante sealar que la familia de los PIC, encabezan el

ranking mundial en ventas compitiendo con grandes y tradicionales empresas


- 24 -

como Intel y Motorola, es as que actualmente MICROCHIP vende ms de 100

millones de PIC cada ao.

Figura 2.7


- 25 -

Tabla 2.1 Caractersticas del PIC 16F870

TARJETA DE PRESENTACION PIC 16F870

Frecuencia de Trabajo 20 MHz DC

Inicializadores y Retardadores POR, BOR y PWRT, OST 1

Memoria de Programa FLASH 2K palabras de 14 bits

Memoria de Datos RAM 128 bytes

Memoria de Datos EEPROM 64 bytes

Interrupciones 10 tipos

Puertas de entrada/salida A,B,C

Temporizadores 3

Mdulos de Captura, Comparacin y Modulacin de anchura de pulsos

1

Comunicacin Serial USART

Comunicacin Paralela -

Conversor Analgico/Digital de 10 bits 5 canales de entrada

Juego de instrucciones 35

1 POR: Power on Reset

BOR: Brown out Reset PWRT: Power Up Timer OST: Oscillator Start up Timer USART: Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter


- 26 -

2.3.3.1 Circuito de Conexin del Microcontrolador

Figura 2.8

1 2 3 4 5 6

A

B

C

D

654321

D

C

B

A

Title


B



Y 1

20M H z

C 3

22pF

C 2

22pF

C K1 C K2

C K1

C K2

M CLR /VPP/TH V1

R A0/A N02

R A1/A N13

R A2/A N24

R A3/A N35

R A4/T0CK 16

R A5/A N47

V SS8

O SC 1/CLK IN9

O SC 2/CLK O UT10

R C0/T1OSC /T1C KI11

R C1/T1OSI12

R C2/C CP113

R C314

R C415

R C516

R C6/TX/C K17

R C7/R X/D T18

V SS19

V DD20

R B0/IN T21

R B122

R B223

R B3/PGM24

R B425

R B626

R B6/PGC27

R B7/PGD28

IC 3

PIC16F870/D IP

V CC

D 2

LED

D 3

LED

D 5

LED

PIN-12-DS232

PIN-11-DS232

IN _SEN SO R

S2

O FF

S1

O N

V CC

O NO FF

O FF

O N

V CC

R 5

560

R 6

560

R 11

560

R 9

1k

R 8

1k

Figura 2.8

2.3.4 PROTOCOLO DE COMUNICACIN RS-232

El protocolo RS-232 es una norma o estndar mundial que rige los

parmetros de la comunicacin serial. Por medio de este protocolo se

estandarizan las velocidades de transferencia de datos, la forma de control que

utiliza dicha transferencia, los niveles de voltaje utilizados, el tipo de cable

permitido, las distancias entre equipos, los conectores, etc.

La comunicacin serial es el envo y recepcin de datos uno a continuacin

de otro a determinada velocidad de transmisin la cual se mide en baudios. En el

presente diseo la velocidad se ha fijado en 9600 baudios.

Los datos serie se encuentran encapsulados en tramas de la forma:

Bit de Start

Bits de datos Bit de Stop

Primero se enva un bit de Star, a continuacin los bits de datos (primero el

bit de mayor peso), y finalmente los bits de stop.


- 27 -

El nmero de bits de datos y bits de Stop es uno de los parmetros

configurables, as como el criterio de paridad par o impar para la deteccin de

errores. Normalmente la comunicacin serie tienen los siguientes parmetros: 1

bit de Star, 8 bits de datos, 1 bit de Stop y sin paridad.

EL Chip utilizado es el MAX-232. En la Figura 2.9 se puede apreciar la

denominacin de los pines.

Figura 2.9


- 28 -

2.3.4.1 Circuito de Conexionado del MAX-232

Figuras 2.10 y 2.11

Figura 2.10

1 2 3 4 5 6

A

B

C

D

654321

D

C

B

A

Title


B



C 9

1u

F

C 10

1u

F

C 7

1uF

V CC

C 8

1u

F

1 6 2 7 3 8 4 9 5

J 3

D B9/fe ma le

V CC

PIN-18-PIC

PIN-17-PIC

C 1+1

V +2

C 1-3

C 2+4

C 2-5

V -6

T2_O U T7

R 2_IN8

R 2_O U T9

T2_IN10

T1_IN11

R 1_O U T12

R 1_IN13

T1_O U T14

G ND15

V CC16

U 3

D S-232

Figura 2.11


- 29 -

2.3.5 CONECTOR DB9

Figura 2.12

Figura 2.12

El DB9 tiene por finalidad permitir la conexin de dispositivos al puerto serie

del PC.

La informacin asociada a cada uno de los pines se detalla en la Tabla 2.2

Tabla 2.2 Descripcin de pines del DB9

Nmero de Pin Seal

1 DCD (Data Carrier Detect)

2 RX

3 TX

4 DTR (Data Terminal Ready)

5 GND

6 DSR (Data Sheet Ready)

7 RTS (Request to Send)

8 CTS (Clear to Send)

9 RI (Ring Indicador)


- 30 -

RX: Es la lnea por donde se reciben los datos bit a bit.

TX: Es la lnea por donde se transmiten los datos bit a bit.

DTR (Data Terminal Ready): Esta lnea de seal es afirmada por la

computadora, e informa al mdem que la computadora esta lista para

recibir datos.

GND: Conexin a tierra.

DSR (Data Sheet Ready): Esta lnea de seal es afirmada por el mdem

en respuesta a una seal DTR de la computadora. La computadora

supervisa el estado de esta lnea despus de afirmar DTR para descubrir si

el mdem esta encendido

RTS (Request to Send): Esta seal se enva de la computadora (DTE) al

mdem (DCE) para indicar que se quiere transmitir datos.

CTS (Clear to Send): Esta seal indica que la computadora puede

empezar a transmitir datos.

En el circuito los terminales T1 out y R1 In del MAX 2-32 se encuentran

unidos a los terminales 2 (Tx) y 3 (Rx) del DB9.


- 31 -

2.4 FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO

Se procede a colocar el interruptor en la posicin ON con lo que se permite

el paso de corriente la cual es estabilizada a un valor de 5V por medio del 7805,

accin que es visualizada al encenderse el diodo led D4.

El sensor tiene una alimentacin de 12V. A travs de los potencimetros R3

y R4 se procede a calibrar la seal del emisor como del receptor de forma que a

la posicin de equilibrio del resorte es decir cuando no esta sometido a

compresin o extensin, le corresponda una seal en el sistema de ejes

coordenados amplitud vs. tiempo (software de anlisis) con amplitud cero.

Luego a travs del potencimetro R7 se adecua el valor de la seal que

sale del receptor a un rango de voltajes comprendido entre 0V-5V, que es la que

ingresa el microprocesador.

Las patitas RB0 y RB1 se configuran como entradas digitales, las cuales

estn unidas a dos pulsantes que actan como perifricos de entrada ON/OFF

respectivamente.

Al pulsar ON comienza el proceso de toma, conversin y envo de datos, al

pulsar OFF se detiene el proceso.

El microprocesador se encarga de tomar la seal analgica por el canal de

entrada RA0/AN0, la cual a travs del conversor A/D se transforma en una seal

de tipo digital.

Esta seal de tipo digital es enviada al PC para lo cual se utiliza el protocolo

de comunicacin RS-232 (chip).

Las patitas RC6/TX/CK y RC7/RX/DT del microprocesador estn

conectadas a las patitas T In 1 y a R1 Out del DS-232 respectivamente;

actuando como transmisor y receptor saliendo y entrando los bits por dichas

lneas al ritmo de una frecuencia controlada internamente por el USART (Interfaz

de Comunicacin Serial).

A su vez el DS-232 se encuentra comunicado con el DB9, es asi que los

terminales T1 out y R1 In del DS 2-32 estn unidos a los terminales 2 (Tx) y 3

(Rx) del DB9 respectivamente.


- 32 -

Las patitas OSCI/CLKIN Y OSCI/CLKOUT del microprocesador funcionan

como entrada y salida del circuito oscilador externo, es decir por OSCI/CLKIN

entran los impulsos de reloj.

Remitirse a la Figura 2.1 para una mejor comprensin

Construccin de los Circuitos Electrnicos de Adquisicin de Datos y Adaptacin de los Sensores

- 34 -

CONSTRUCCIN DE LOS CIRCUITOS ELECTRNICOS

DE ADQUISICIN DE DATOS Y ADAPTACIN DE LOS

SENSORES

En este capitulo se describe el proceso a seguir para el diseo y

construccin del circuito impreso, adems se detalla el proceso de construccin

de las piezas que se utilizan como porta emisor y porta receptor y que permiten la

adaptacin del sensor al muelle.

3.1 CONSTRUCCIN DE LOS CIRCUITOS ELECTRNICOS DE

ADQUISICIN DE DATOS

3.1.1 DISEO Y CONSTRUCCIN DEL CIRCUITO IMPRESO

3.1.1.1 MATERIALES, COMPONENTES Y HERRAMIENTAS UTILIZADAS

Placa de fibra de vidrio FR4 con recubrimiento de cobre

Luz ultravioleta

Pic 16 F870

Max 2-32

2 Pulsantes

Cristal de Cuarzo 20 MHz

Bornera de 4 terminales

Conector DB9 hembra

Conector Power Jack

Diodo

3 Leds color rojo

3 Potencimetros de 100K

2 condensadores cermicos de 0.1 F

2 condensadores cermicos de 22 pF

2 condensadores electrolticos de 1000 F

4 condensadores electrolticos de 1F


- 35 -

5 resistencias de 560

3 resistencias de 1 K

1 zcalo de 16 pines

1 zcalo de 28 pines

Punzn

Cautn

Estao

Broca

Tenazas para corte


- 36 -

3.1.1.2 PROCESO DE DISEO Y CONSTRUCCIN

Se realiza el diseo del esquema del circuito impreso utilizando el editor de

grficos del programa PROTEL, haciendo constar todos los elementos

componentes del circuito as como las conexiones entre los mismos, seales de

tierra, Vcc, etc. Figura 3.1

Figura 3.1

Es necesario sealar que para acomodar las pistas del circuito impreso se

utilizo la funcin AUTOROUTER, la cual de manera automtica busca la

distribucin ms ptima.

Adems se realizo la verificacin del circuito con herramientas del

programa PROTEL, para determinar si existen terminales de componentes sin

seal de entrada, cables sin seal, salidas en conflicto o algn otro tipo de

problema en las conexiones.


- 37 -

A continuacin se imprime el diseo en una hoja de acetato,

preferentemente en colores blanco y negro. Figuras 3.2a y 3.2b

Figura 3.2 a Cara inferior

Figura 3.2 b Cara superior


- 38 -

Se realiza el grabado de la impresin en la placa de fibra de vidrio por

medio de un proceso fotosensible. Figuras 3.3a y 3.3b

Figura 3.3 a Cara inferior

Figura 3.3 b Cara superior


- 39 -

A continuacin con un punzn se realizan marcas superficiales en donde se

practicarn los agujeros, estas evitan resbalamientos de la broca, permitiendo

mayor precisin en el taladrado.

Utilizando una broca de dimetro adecuado y tendiendo como gua las

marcas realizadas con punzn se realizan los agujeros.

3.1.1.2.1 Soldadura e Insercin de Componentes

El proceso de soldar un componente consta de tres pasos: insertar el

componente, soldar sus patas y cortar la parte sobrante de estas. En general los

componentes deben entrar a fondo hasta estar en contacto con la placa salvo

algunas excepciones como son componentes que se calientan mucho y que para

facilitar su refrigeracin se deja un espacio entre ellos y la placa. Al insertar los

componentes es muy importante ponerlos en la postura que indica el esquema

respetando su polaridad.

Una vez insertado el componente hay que soldarlo. Para ello se pone la

punta del cautn en diagonal de forma que haga contacto con la pata y la zona de

cobre que hay alrededor, seguidamente acercamos el hilo de estao el cual debe

fundirse uniformemente evitando soldaduras en forma abombada o esferoide. Una

soldadura correcta debe tener la forma de carpa de circo. Figuras 3.4 a y 3.4 b

Figura 3.4 a Soldadura Correcta


- 40 -

Figura 3.4 b Soldadura Incorrecta

En la Figura 3.5 se puede apreciar los puntos de suelda del circuito impreso.

Figura 3.5


- 41 -

En lo referente al orden en que han de colocarse los elementos se

recomienda comenzar por un extremo para terminar por el otro, sin embargo

deber tenerse presente que hay componentes que son mas sensibles que otros

al calor y la electricidad esttica producidos durante la soldadura de los dems

componentes, por lo que lo lgico seria dejarlos para el final minimizando de esta

forma el riesgo.

3.1.2. DETALLES CONSTRUCTIVOS

Es necesario sealar que en lo que respecta a la distribucin de los

componentes como se puede ver en la Figura 3.6 estn repartidos de forma

homognea, esto con fines estticos y adems para asegurar que el trazado de

las pistas sea uniforme.

Figura 3.6


- 42 -

Es importante determinar el factor de aprovechamiento que es la relacin

existente entre el rea ocupada por los componentes y el rea total de la placa. El

rea total de la placa es de 8000 mm2 a la cual se le debe quitar el rea del perfil

que se deja para la insercin de pernos de sujecin a la carcasa que es de

1080mm2 con lo que se tiene un rea til de la placa de 6920 mm2. El rea

ocupada por los componentes es de 2590 mm2, por lo tanto el factor de

aprovechamiento es de 37.42%, el cual se considera como satisfactorio.

El PIC 16F870 Y el MAX-232, estn montados sobre zcalos que se han

insertado previamente en la placa, lo que permite la sustitucin de los mismos en

forma fcil y rpida sin necesidad de desoldar elementos.

Los potencimetros que se utilizan son de precisin, lo permite realizar

calibraciones ms sensibles para las seales del sensor. En la Tabla 3.1 se

detallan sus caractersticas.

En la cara superior de la placa se hallan impresos los nombres de algunos

de los elementos lo que permite un fcil reconocimiento de los mismos.

En los extremos de la placa impresa se han mecanizado 4 agujeros de

forma que pueda ser acoplada de forma fija a una superficie utilizando pernos u

otros elementos de fijacin.

El conector power jack (permite la alimentacin del sistema), el DB9 y la

bornera de 4 terminales se hallan en extremos distintos de la placa, esto facilita el

conexionado del adaptador, del cable coaxial y de los sensores respectivamente,

impidiendo el cruce de cables.


- 43 -

Tabla 3.1 Caractersticas del Potencimetro de Precisin

CARACTERSTICAS DEL POTENCIMETRO DE PRECISIN

CODIGO 3006P104

TIPO TRIMPOT

No. Vueltas 15

Valor de Resistencia () 100K

Tolerancia (+-%) 10

Potencia (w) 0.75

Elemento Resistivo Cermet

Dimensiones (mm) 19x6.4x5

ESQUEMA DEL POTENCIMETRO DE PRECISIN


- 44 -

En la Figura 3.7 se puede apreciar la placa impresa con todos sus

componentes.

Figura 3.7

A partir de una placa de acrlico transparente de 80mm de ancho / 100mm

de largo y 3mm de espesor se ha mecanizado una carcasa de proteccin para los

componentes del circuito.

El acrlico tambin conocido como homopolmero se caracteriza por ser un

material resistente a la abrasin, a la luz solar y a las altas temperaturas; adems

posee gran recuperacin elstica. Caractersticas que lo hacen apto para este tipo

de trabajos. Figura 3.8


- 45 -

Figura 3.8


- 46 -

3.2 ADAPTACIN DE LOS SENSORES

Para adaptar el sensor a las espiras del muelle, se construy un porta

emisor y un porta receptor, en donde asientan el emisor y el receptor.

3.2.1 CONSTRUCCIN DEL PORTAEMISOR Y PORTARECEPTOR

3.2.1.1 MATERIALES UTILIZADOS

Platina de acero de transmisin 12mm ancho/ 90mm largo

2 pernos 1/8 pulgada cabeza redonda

1 perno M5 cabeza con casquillo hexagonal

1 perno M5 sin cabeza

Suelda autgena

Nquel

3.2.1.2 MQUINAS HERRAMIENTAS UTILIZADAS

Fresadora

Torno

Taladro de pedestal

3.2.1.3 PROCESO DE CONSTRUCCIN DEL PORTA EMISOR Y PORTA

RECEPTOR

Se divide en dos partes la platina, una es para conformar el porta emisor y

otra para el porta receptor.

Utilizando la fresadora se hace el agujero en donde asienta el emisor, y la

ranura que permite graduar la posicin del emisor con respecto al receptor.

En la otra parte de la platina utilizando la fresadora se realiza la ranura en

donde asienta el receptor.

Se hacen dos abrazaderas de sujecin a la espiral con agujeros que

permitan la insercin de los pernos de ajuste M5, esto a partir del eje circular de

acero de transmisin y utilizando el torno y el taladro de pedestal.


- 47 -

Se unen las abrazaderas con las piezas trabajadas para el emisor y el

receptor utilizando suelda autgena.

Se pulen las piezas con ayuda de un esmeril

Se realiza un proceso de niquelado.

Figura 3.9

Figura 3.9


- 48 -

Una vez realizado el proceso de construccin se coloca el porta emisor y el

porta receptor en dos espiras consecutivas, una fija y otra mvil; graduando la

posicin de los mismos con respecto a la longitud de las espiras y la del emisor

con respecto al receptor, por medio de los pernos de ajuste. Figura 3.10

Figura 3.10

Diseo e Implementacin del Software de Adquisicin, Almacenamiento y Anlisis

- 52 -

DISEO E IMPLEMENTACION DEL SOFTWARE DE

ADQUISICIN, ALMACENAMIENTO Y ANLISIS

En este captulo, se da una descripcin detallada de las lneas de los

programas a ejecutarse tanto en el microprocesador como en el PC, los que

permiten la adquisicin, almacenamiento y anlisis de datos, en base a lo cual se

puede realizar un estudio minucioso del comportamiento de un sistema de

suspensin.

4.1 SOFTWARE DE ADQUISICIN DE DATOS

El Software de Adquisicin de datos, se lo realiza en el programa MPLAB,

que Microchip pone a disposicin de los usuarios en la pgina Web

www.microchip.com, el cual presenta un sinnmero de ventajas como es la

posibilidad de simular la ejecucin de instrucciones representando el

comportamiento interno del procesador y el estado de las lneas de

entrada/salida. En la Figura 4.1 se puede apreciar el entorno de desarrollo del

MPLAB.

Figura 4.1


- 53 -

4.1.1 DESCRIPCIN DEL SOFTWARE

Las lneas de este programa tienen por objeto, tomar datos analgicos que

captura el sensor, introducirlos al microprocesador por el canal analgico

seleccionado y convertirlos a datos de tipo digital a travs del conversor A/D que

posee el microcontrolador, para ser enviados al PC por puerto serial y utilizando

comunicacin asncrona. Este proceso se realiza cada 0.1 segundos, por un lapso

de tiempo de 1 minuto para una muestra, con lo que se obtienen muestras de 600

muestras.

A continuacin se d una explicacin ms detallada del programa:

Se configuran las lneas de las Puertas A, B y C del microprocesador,

utilizando los registros PORT A, PORT B, PORT C, TRIS A, TRIS B, TRIS C; en

la siguiente forma:

RB7, RB6, RB5, RB4 como salidas y RB3, RB2, RB1 y RB0 como entradas

RA7, RA6 como salidas y RA5, RA4, RA3, RA2, RA1, RA0 como entradas

RC7 como entradas y RC6, RC5, RC4, RC3, RC2, RC1, RC0 como salidas

Se carga en el registro SPRG un valor tal que determine una frecuencia en

baudios de 9600 bits/segundo. Este valor se encuentra a partir de la formula:

Frecuencia en Baudios = FOSC. / (K. (X + 1))

Despejando el valor de X tenemos:

X = KFrecuencia

KFrecuencia)Fosc(

Donde:

Fosc = 20 MHz

Frecuencia = 9600 baudios / segundo

K = 16 (alta velocidad)

Con lo que se obtiene:

X= 129 Valor a cargar en el registro SPBRG


- 54 -

Utilizando el registro PIE 1 se habilita el permiso de interrupcin para el

receptor del USART cuando el buffer se llena.

Utilizando el registro TXSTA se selecciona la transmisin de 8 bits, y se

activa la transmisin de modo asncrono utilizando alta velocidad de

comunicacin.

Manipulando el registro ADCON 1 se justifica el resultado de la conversin

analgica/digital en el registro ADRESL y se configura AN0/RA0 como entrada

analgica.

Se habilita el puerto serie (se configuran las patitas RC7/RX/DT y

RC6/TX/CK), y el modo de recepcin continua, para lo cual se utiliza el registro

RCSTA.

Se habilitan interrupciones de tipo global y de recepcin utilizando el

registro INTCON

Se configura el funcionamiento de los pulsantes ON y OFF que se unen a

RB0/INT y RB1 respectivamente, de forma que cuando se pulse ON comience la

trama de 600 datos, y cuando se pulse OFF se detenga el programa.

Se activa el conversor A/D y se selecciona el canal 0 (RA0/AN0) como

ingreso de la seal analgica a convertir., utilizando el registro ADCON 0.

A continuacin hay una llamada a rutina de adquisicin anloga en la que

se da inicio a la conversin poniendo a 1 el bit GO/DONE # del registro ADCON 0,

la cual dura mientras permanezca a 1 dicho bit. Cuando el bit GO/DONE pasa a

cero se confirma el final de la conversin y la puesta del resultado en la pareja de

registros ADRESH:ADRESL. El valor de estos registros se carga en el registro

CONVE.

Es necesario sealar que los microcontroladores PIC 16F870 poseen un

conversor A/D de 10 bits de resolucin y 8 canales de entrada.

La resolucin que posee cada bit procedente del proceso de conversin

tiene un valor que esta en funcin del voltaje de referencia, como se puede

apreciar en la siguiente frmula:

Resolucin = (Vref + -Vref -) / 1024 = Vref / 1024


- 55 -

Teniendo en cuenta que Vref + = 5V y Vref- es tierra la resolucin es de

4.8 mV / bit, por tanto a la entrada de 0V le corresponde una digital de 00 0000

0000 y para la de 5V una de 11 1111 1111.

El dato digitalizado a transmitir se deposita en el registro TXREG y a

continuacin se desplaza al registro de desplazamiento TSR que va sacando los

bits en forma secuencial y a una frecuencia previamente establecida, con lo que

empieza la transmisin serial.

Posteriormente se hace un llamada a la rutina dseg (dcima de segundo),

de forma que el proceso que va desde la adquisicin de datos hasta el envo se

realice cada 0.1 segundos durante el tiempo de un minuto, con lo que se obtienen

muestras de 600 datos.

Una vez tomada una muestra, transcurren 0.2 segundos para que se vuelva

a tomar otra muestra automticamente.


- 56 -

4.1.2 DIAGRAMA DE FLUJO 4.1.2.1 PROGRAMA PRINCIPAL

Figura 4.2

Figura 4.2

INICIO

Configuracin de Puertas A, B y C

Seleccin de Comunicacin Serie Asncrona a 9600 baudios

Habilitacin del Puerto Serie y Modo

de Recepcin Continua

Habilitacin de Interrupciones de tipo global y de recepcin

RB0=1

STAR

Captura del dato analgico

Conversin del dato analgico a digital

Envo del dato digitalizado al PC

RB1=0 STOP

Se detiene el proceso de captura,

conversin y envo de datos

SI

NO

SI

NO


- 57 -

4.1.2.2 RUTINA DE CONVERSIN ANALGICA/DIGITAL Figura 4.3

Figura 4.3

INICIO

Seleccin del canal analgico

ADON = 0

Activacin d el Conversor A/D

GO/DONE = 0

Inicia Conversin A / D

Fin de la Conversin A/D GO/DONE = 0

Adquisicin por el canal seleccionado

NO

NO

SI

SI


- 58 -

4.2 SOFTWARE DE ALMACENAMIENTO Y ANLISIS DE DATOS

El software de almacenamiento y anlisis de datos se realiza en el

programa VISUAL BASIC, por lo interactivo y fcil que resulta trabajar en este

programa. En la Figura 4.3 se puede apreciar el entorno de desarrollo del VISUAL

BASIC

Figura 4.3

4.2.1 DESCRIPCIN DEL SOFTWARE

El diseo de este programa tiene por finalidad, realizar el anlisis de datos

que se han enviado al PC, para lo cual primeramente procede a graficar los datos

recibidos en un sistema de ejes coordenados amplitud vs tiempo, resultando de

esto una curva que se prolonga en el tiempo. A continuacin procede a

determinar la frecuencia que posee la curva puesto que esta representa una

vibracin. Adems el programa ofrece la posibilidad de graficar la curva ideal del

movimiento libre amortiguado ingresando los datos caractersticos del sistema de


- 59 -

suspensin en anlisis como masa que soporta la suspensin, el coeficiente de

elasticidad del muelle, el coeficiente de amortiguamiento, la frecuencia ideal, con

lo cual se puede realizar un anlisis comparativo entre esta curva y la graficada

con los datos procedentes del microcontrolador.

A continuacin se da una explicacin mas detallada del programa:

El programa consta de un proyecto denominado Resorte, el cual a su vez

esta conformado por tres formularios denominados DialogRegistos, fmrOptions,

y principal; adems existe un modulo denominado Module 1.

Se procede primeramente a la etapa de diseo, en la que se crea el

entorno del archivo ejecutable, es decir la ventana de aplicacin del programa,

para lo cual se colocan los controles que permitirn realizar acciones al usuario

(eventos).

A continuacin se programa el Cdigo en cada uno de los controles de

forma que realice las acciones adecuadas en respuesta a los eventos o acciones

que realice el usuario y se les asigna propiedades individuales de acuerdo a la

funcin a cumplir. Dentro de estas propiedades tenemos: Caption, que es lo que

aparece escrito en el control; Left y Top, que son referentes a su posicin; Height

y Width, referentes a su apariencia externa; Enabled, que determina si en un

momento dado puede ser pulsado o no, etc.

Seguidamente se tiene una descripcin de los controles

RECIBIR Y GRAFICAR (Command Button): Representa grficamente

cada dato transmitido hacia la computadora.

PARAR (Command Button): Interrumpe el proceso de graficacin.

GRABAR (Command Button): Guarda los cambios que se realizan en la

pantalla de visualizacin del programa.

BORRARA PANTALLA (Command Button): Elimina cualquier grafica que

se encuentre en los ejes coordenados Amplitud vs. Tiempo.

ABRIR GRAFICO (Command Button): Permite presentar en pantalla las

muestras de datos que se hayan tomado y que son grabadas automticamente.


- 60 -

ANALIZAR (Command Button): Al hacer click sobre este control se

obtiene dos valores de amplitudes Y1 y Y2, y el valor de frecuencia de la muestra.

SIMULAR (Command Button): Graficar la curva correspondiente al

movimiento amortiguado regido por la ecuacin: ( )Seney)t(y dtt)m2/c(0 +=

El valor de la amplitud y0 , de la masa m, de la frecuencia f, del angulo de

fase se ingresan por parte del usuario en las cajas de texto (Text Box)

diseadas para tal efecto.

El valor de la constante de amortiguamiento c es calculada

automticamente en base a la formula de decrecimiento logartmico:

2

2

2

)2y

1y(ln4

mk4*)2y

1y(ln

c

+

=

Donde los valores de y1 y y2 que son resultado del proceso de anlisis se

cargan automticamente en una caja de texto y el valor de K (modulo del resorte)

se ingresa manualmente de igual forma en una caja de texto.

La grafica de simulacin puede representarse en cuatro colores diferentes

rojo, azul, verde y violeta, accin que esta configurada utilizando los controles

Option Button.

Otros controles que se debe tener en cuenta son la caja de texto en donde

se visualiza cada 0.1 segundos nmeros secuencialmente que representan cada

dato.

Adems existe una barra de progreso que indica el estado de recepcin de

datos.

En la Figura 4.3 se puede observar el entorno visual del software

conjuntamente con la designacin del tipo de controles utilizados en el diseo.


- 61 -

Figura 4.4

Pruebas de Funcionamiento

- 64 -

PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO

El desarrollo de este captulo es de gran importancia, por cuanto nos

permite conocer el desempeo de todo el sistema que se ha diseado, en base a

lo cual se podr realizar cambios, correcciones y mejoras en caso de ser

necesarias. Adems al obtenerse resultados, nos permite realizar un anlisis de

los mismos con lo cual se determina el estado de un sistema de suspensin.

Las pruebas de funcionamiento se realizan sobre una maqueta que simula

el sistema de suspensin de un vehculo.

5.1 DISEO Y CONTRUCCIN DE LA MAQUETA

5.1.1 CARACTERSTICAS DE LA MAQUETA

5.1.1.1 Materiales utilizados

Tubo rectangular de 2 pulg. ancho / 6m largo / 1 pulg. espesor, con

espesor de material de 1.2 mm.

Tubo cuadrado pulg. ancho / 91 cm. longitud con espesor de material de

1.2 mm.

Tubo redondo = 1 pulg. / 17 cm. longitud con espesor de material de

1.2mm.

Plancha corrugada 28cm. ancho / 33cm. largo con espesor de material de

2mm.

Platinas de sujecin 3 cm. ancho / 6.5cm. largo con agujeros de = 8mm

Bridas de sujecin pulg. ancho, con espesor de material de 1/8 pulg. y

agujeros de = pulg.

Angulo de 1 pulg. ancho / 2m. largo con espesor de material de 1/8 pulg.

Angulo de 1 pulg. ancho / 2.20 m largo con espesor de material de 1/8

pulg.

Base circular concntrica

Electrodo para suelda 60-11.

Disco abrasivo A24 R-BF


- 65 -

Lija para hierro nmero 3

Esmaltes sintticos multicolores

5.1.2 PROCESO DE CONSTRUCCIN

Se realiza una diagrama esquemtico en el que consten las medidas reales

que va ha tener la maqueta.

Se corta el material de acuerdo al diagrama esquemtico utilizando una

cortadora elctrica. Se realizan cortes a 45 grados y a 90 grados.

Se procede al montaje y unin de las distintas partes utilizando suelda

elctrica con electrodo 60-11

Se procede a esmerilar para eliminar los residuos de suelda para lo cual se

utiliza un disco abrasivo A24 R-BF

Se lija la maqueta para eliminar imperfecciones de la superficie utilizando

lija para hierro numero 3

Se desengrasa utilizando desoxidante

Se procede a fondear la estructura completa con pintura anticorrosivo, para

luego realizar el proceso de pintado con esmaltes sintticos multicolores.

Figura 5.1

Figura 5.1


- 66 -

5.2 DETERMINACIN DEL COEFICIENTE DE ELASTICIDAD DEL

MUELLE

Se procedi a seleccionar muelles de distintos vehculos tanto de la

suspensin delantera como trasera.

La determinacin del coeficiente de elasticidad de los muelles, se realiz en

el laboratorio de la Universidad Tcnica Particular de Loja en una prensa

electrnica, por medio de la aplicacin de cargas, y midiendo la deformacin

correspondiente a dichas cargas. Ver figura 5.2 y 5.3

Figura 5.2

Figura 5.3


- 67 -

Los resultados se detallan en la Tabla 5.1

Tabla 5.1 Resultados Determinacin de Coeficientes de Elasticidad. UTPL

Identificacin de la muestra

Dimetro del

resorte (mm)

Longitud inicial (mm)

Longitud final (mm)

Deformacin (mm)

Carga Aplicada

(KN)

Factor K (N/m)

Muelle 1 120 313 264 49 2.744 56000

Muelle 2 140 302 217 85 2.646 31129.41

Muelle 3 110 316 266 50 1.862 37 240

Muelle 4 110 296 258 38 2.058 54157.9

Una vez concluida la determinacin de los coeficientes de elasticidad de los

muelles, se tuvo que volver a realizar las pruebas, debido a que el hecho de haber

cortado las longitudes iniciales para que puedan ser acoplados en la prensa

electrnica indujo errores.

Las nuevas pruebas se realizaron en el Laboratorio de Ensayos de la

Universidad Politcnica Salesiana de Cuenca., procedindose a determinar el

coeficiente de elasticidad del muelle a ser montado en la maqueta

correspondiente a un sistema de suspensin delantera, para lo cual se utiliz una

prensa electrnica de mayores dimensiones. Figura 5.4, de forma que permita

acoplar el muelle con su longitud inicial original.

Figura 5.4


- 68 -

Los resultados se detallan en la Tabla 5.2

Tabla 5.1 Resultados Determinacin de Coeficiente de Elasticidad del Muelle. UPS

Identificacin de la muestra

Dimetro del

resorte (mm)

Longitud inicial (mm)

Longitud final (mm)

Deformacin (mm)

Carga Aplicada

(KN)

Factor K (N/m)

Muelle 1 145 370 303.79 66.21 1.1 16630.80

En la Figura 5.5 se muestran los resultados presentados en el monitor de la

prensa electrnica.

Figura 5.5

5.3 MONTAJE DEL MUELLE

El montaje del muelle se realiza manualmente, por medio de las bridas de

sujecin empernadas. El muelle montado posee las siguientes caractersticas:

Longitud Libre: Lo=370mm

Paso: 69mm

Dimetro del alambre d =13mm

Coeficiente de elasticidad K = 16330.80 N/m


- 69 -

5.4 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO

5.4.1 PRUEBAS DEL SENSOR

Estas pruebas tienen por finalidad determinar las caractersticas del sensor,

es decir determinar la variacin de voltaje correspondiente a una variacin de

distancia entre emisor y receptor.

Para realizar estas pruebas se construy el circuito de conexin del sensor

en un project board, calibrando los potencimetros a un valor resistivo cercano a

0 y procediendo a alejar milmetro a milmetro el emisor del receptor; verificando

el valor del voltaje con ayuda de un multmetro. Las pruebas se realizaron en un

espacio sin presencia de luz.

En la Tabla 5.3 y en la Figura 5.6 se detallan y se representan los

resultados respectivamente.

Tabla 5.3 Resultados Pruebas del Sensor

Distancia (mm) Voltaje (mm)

0 7.2

1 8.4

2 9.3

3 10

4 10.5

5 10.96

6 11.3

7 11.6

8 11.8

9 11.9

10 12


- 70 -

Curvas de Respuesta Distancia-Voltaje

7

7,5

8

8,5

9

9,5

10

10,5

11

11,5

12

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Distancia (mm)

Vo

lta

je (

V)

Figura 5.6

5.4.2 PRUEBAS DEL SISTEMA ELECTRNICO

Este tipo de pruebas tienen por finalidad verificar el correcto funcionamiento

de los componentes electrnicos, as como tambin que los valores de voltaje

sean los adecuados.

Se procede a verificar el valor del voltaje de ingreso, utilizando un

multmetro cuyas puntas de prueba se aplican sobre uno de los terminales

del conector power jack y a masa. Este valor corresponde a 13.22 V.

Se verifica el rizado de la fuente utilizando el osciloscopio, para lo cual se

conectan los terminales de la sonda del osciloscopio a ti

diseño y construcción de un registrador de vibraciones tesis (1)

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