diseÑo de un dinamÓmetro para motores elÉctricos de …
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INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY
CAMPUS TOLUCA
DISEÑO DE UN DINAMÓMETRO PARA MOTORES
ELÉCTRICOS DE HASTA 100 HP
TESIS PRESENTADA COMO REQUISITO PARA OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE
MAESTRO EN INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
RONALD MIGUEL ZAFRA URREA
Asesor: Dr. ALFREDO SANTANA DIAZ
Comité de tesis: Dr. JUAN DE DIOS CALDERÓN NÁJERA
Dr. DAVID HERNÁNDEZ CASTILLO
Toluca de Lerdo, Edo. Méx., diciembre de 2019.
2
DEDICATORIA
Esta tesis va especialmente dedicada a las personas cuyo soporte emocional hicieron de mi estancia en la maestría un continuo fortalecimiento de mis capacidades como estudiante, profesional e investigador. A mi madre Leticia, por su amor incondicional y sus llamadas llenas de positivismo que me hacían sentir en mi hogar, a pesar de estar a tantos miles de kilómetros. A mi padre Miguel, por sus consejos, su cariño, respaldo y apoyo desinteresado han sido de vital importancia en mi crecimiento personal a lo largo de estos y mucho más en mi estancia en la maestría. A mi hermana Tatiana, amiga, compañera, confidente, persona capaz de abrir mis ojos ante tantas situaciones difíciles donde más necesite amparo emocional. A Maria Jose, mujer que me ha acompañado en este largo trayecto y que, junto con ella nos hemos fortalecido y abogado de manera mutua.
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AGRADECIMIENTOS
Mis más sinceros agradecimientos a las personas que hicieron realidad este proyecto frente a todos sus aportes trascendentales sobre el mismo. A COMECYT por apoyarme económicamente en mi estadía en el país en estos más de dos años como estudiante e investigador. Al Doctor Alfredo Santana Diaz por sus asesorías y por la preocupación de llevar este proyecto a cabo con el mayor de los éxitos. A los compañeros de la Maestría y del CIMA que con sus aportes en varios campos del conocimiento hicieron posible el desarrollo de este trabajo. Por último, a los laboratoristas del CIMA: Ricardo Santillán, Eduardo Vázquez y Ángel Vallejo por su constante ayuda frente a situaciones tecnológicas que incidieron directamente en la construcción del banco y a lo largo de los demás proyectos del CIMA.
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RESUMEN
El desarrollo de las investigaciones acerca de vehículos eléctricos ha permitido que la industria
automotriz haya emprendido la generación de nuevas tecnologías, con el propósito de reemplazar
los motores a combustión por propulsados con electricidad. Estos motores son evaluados en
dinamómetros de los cuales se ponen a prueba entre otras, el desempeño mecánico del motor. Las
tecnologías de carga varían. Un ejemplo es el dinamómetro hidráulico, capaz de crear una carga
sobre el motor al retener un líquido en un sistema diseñado para dicho propósito. Este trabajo
contiene el diseño completo de un dinamómetro hidráulico de aceite ingenieril para motores de
propósito automotriz de hasta 100 caballos de potencia, donde se diseñan elementos estructurales
bajo cargas estáticas y dinámicas (primeros modos de falla), se seleccionan componentes
hidráulicos según los cálculos requeridos y se diseña e implementa un circuito electrónico de
potencia para su posterior ensamble y puesta a punto. Finalmente, bajo la norma IEEE 112 del año
2017, se aplican pruebas de desempeño mecánico y eléctrico del motor a lo largo de un rango de
velocidades propuestos, siendo comparados con las curvas que el proveedor del motor eléctrico
suministra, demostrando la validez del dinamómetro construido.
5
CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN. ................................................................................................................ 12
1.1. ANTECEDENTES. ........................................................................................................ 13
1.2. JUSTIFICACION ........................................................................................................... 14
1.3. OBJETIVOS. .................................................................................................................. 15
2. MARCO TEÓRICO. .............................................................................................................. 16
2.1. CLASIFICACIÓN DE DINAMÓMETROS. ................................................................. 16
2.1.1. DINAMÓMETRO HIDRÁULICO. ........................................................................ 17
2.1.2. DINAMÓMETRO AC O DC. ................................................................................. 18
2.1.3. DINAMÓMETRO DE CORRIENTES DE FOUCAULT. ..................................... 20
2.2. ESTADO DEL ARTE. .................................................................................................... 22
2.3. SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS. ............................................................................ 23
2.3.1. DINAMÓMETRO DE CORRIENTES DE EDDY. ............................................... 24
2.3.2. DINAMÓMETRO AC O DC. ................................................................................. 25
2.3.3. DINAMÓMETRO HIDRÁULICO. ........................................................................ 26
2.3.4. CRITERIO PARA LA SELECCIÓN DEL SISTEMA DE CARGA. .................... 28
3. METODOLOGÍA PROPUESTA. ......................................................................................... 30
3.1. SELECCIÓN DIAGRAMA HIDRÁULICO. ................................................................. 30
3.2. DISEÑO Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS HIDRÁULICOS. .................................... 32
3.3. DISEÑO Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS MECÁNICOS. ....................................... 33
3.4. DISEÑO ESTRUCTURAL Y DINÁMICO DEL BANCO DE PRUEBAS. .................. 34
3.5. CIRCUITO ELECTRÓNICO Y DE POTENCIA. .......................................................... 36
3.6. CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN ............................................................................ 37
4. DISEÑO DEL DINAMÓMETRO PROPUESTO. ................................................................ 40
4.1. SELECCIÓN DE DIAGRAMAS PROPUESTOS. ........................................................ 40
6
4.1.1. CIRCUITO HIDRÁULICO 1. ................................................................................ 40
4.1.2. CIRCUITO HIDRÁULICO 2. ................................................................................ 42
4.2. DISEÑO Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS HIDRÁULICOS. .................................... 43
4.2.1. BOMBA HIDRÁULICA. ........................................................................................ 44
4.2.2. INTERCAMBIADOR DE CALOR ........................................................................ 46
4.2.3. SELECCIÓN DE EQUIPOS. .................................................................................. 48
4.2.3.1. Selección de bomba. ............................................................................................ 48
4.2.3.2. Intercambiador de calor. ...................................................................................... 50
4.2.3.3. Filtros de entrada y de salida. .............................................................................. 53
4.2.3.4. Válvulas. .............................................................................................................. 55
4.2.3.5. Otros componentes. ............................................................................................. 56
4.2.4. TUBERÍAS. ............................................................................................................. 57
4.2.5. TANQUE. ................................................................................................................ 58
4.3. DISEÑO Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS MECÁNICOS. ....................................... 60
4.3.1. SISTEMA DE TRANSMISIÓN. ............................................................................ 60
4.3.2. BRIDAS DE AGARRE. .......................................................................................... 61
4.3.3. TORNILLOS DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA. ............................................ 62
4.3.4. CUÑAS. ................................................................................................................... 64
4.4. DISEÑO ESTRUCTURAL BANCOS DE PRUEBAS. ................................................. 65
4.4.1. BANCO MOTOR. ................................................................................................... 66
4.4.2. BANCO TRANSMISIÓN. ...................................................................................... 71
4.5. CIRCUITO ELECTRONICO Y DE POTENCIA PARA MOTORES ELECTRICOS. . 72
4.6. CONSTRUCCION DEL DINAMOMETRO. ................................................................. 74
5. METODOLOGIA PARA LA EJECUCION DE PRUEBAS. ............................................... 82
5.1. SIMULACION DEL DINAMOMETRO. ....................................................................... 83
5.2. PROCEDIMIENTO: PRUEBAS PRELIMINARES. ..................................................... 85
5.3. PROCEDIMIENTO: PRUEBAS PARA CURVA DE DESEMPEÑO. .......................... 89
6. CONCLUSIONES. .................................................................................................................... 93
7. TRABAJO A FUTURO. ........................................................................................................... 94
8. REFERENCIAS. ....................................................................................................................... 96
ANEXOS. .................................................................................................................................... 103
7
ANEXO A. FUNCIÓN DE TEMPERATURA DEL ACEITE – BALANCE ENERGÉTICA DEL
RECIPIENTE. ............................................................................................................................. 104
ANEXO B. CALOR DE SALIDA POR CONDUCCIÓN Y CONVECCIÓN DEL TANQUE 108
ANEXO C. MÉTODO DE SELECCIÓN DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR MARCA
PARKER. .................................................................................................................................... 110
ANEXO D. MÉTODO DE SELECCIÓN VÁLVULAS ............................................................ 111
ANEXO E. PLANO DEL TANQUE .......................................................................................... 113
ANEXO F. PLANO DEL BANCO MOTOR ............................................................................. 114
ANEXO G. PLANO BANCO TRANSMISIÓN ......................................................................... 115
ANEXO H. PROCESO DE SIMULACIÓN FEM BANCO TRANSMISIÓN .......................... 116
ANEXO I. PLANOS DE LA CELDA DE CARGA ................................................................... 119
ANEXO J. VISTA EXPLOSIONADA SISTEMA DE BRIDAS ............................................... 121
ANEXO K. PLANO BRIDA A MOTOR (BRIDA I) ................................................................. 122
ANEXO L. PLANO BRIDA A TRANSMISIÓN (BRIDA II) ................................................... 123
ANEXO M. PLANO CUÑA DE MOTOR ................................................................................. 124
ANEXO N. PLANO CUÑA DE BOMBA .................................................................................. 125
ANEXO O. CÓDIGO G CAM Y CHAVETERO (BRIDA I) .................................................... 126
ANEXO P. PLANO PERNO ASTM A325 DE 3/8” .................................................................. 128
ANEXO Q. PLANO PERNO ASTM A325 DE 5/8” .................................................................. 129
ANEXO R. LISTADO DE ELEMENTOS QUE COMPONEN EL DINAMÓMETRO
HIDRÁULICO ............................................................................................................................ 130
ANEXO S. CÓDIGO MATLAB CÁLCULOS DE LA SIMULACIÓN DEL DINAMÓMETRO
132
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 La dinamo. Werner von Siemens. 1866 ....................................................................... 12
Figura 2.1. Diagrama mecánico de un dinamómetro hidráulico ................................................... 18
Figura 2.2. Esquema de un dinamómetro AC/DC ......................................................................... 19
Figura 2.3. Principio de funcionamiento de un freno por corrientes de Foucalt ........................... 20
Figura 2.4. Dinamómetro de corrientes parásitas (Eddy Current [54]) ......................................... 21
Figura 3.1. Diagrama de flujo del proceso de diseño u construcción del dinamómetro ............... 31
Figura 3.2. Simbología elementos hidráulicos básicos.................................................................. 32
Figura 3.3. Fuerzas resultantes en las sujeciones .......................................................................... 34
Figura 3.4. Proceso de diseño del banco de pruebas ..................................................................... 36
Figura 3.5. Controlador programable para motores ...................................................................... 37
Figura 3.6. Centro de Maquinado DMU 60 MonoBlock .............................................................. 37
Figura 3.7. (a) Soldadura MIG. (b) Soldadura SMAW ................................................................. 38
Figura 3.8. Equipo de adquisición HBM. (a) Interfaz y tarjeta de adquisición. (b) Transductor de
torque y tacómetro ......................................................................................................................... 38
Figura 3.9. Interfaz de usuario para la simulación del dinamómetro. Ejecutado en Matlab ......... 39
Figura 4.1. Circuito hidráulico Opción 1 ....................................................................................... 42
Figura 4.2. Circuito hidráulico Opción 2 ....................................................................................... 43
Figura 4.3. Bomba de engranajes .................................................................................................. 44
Figura 4.4. Vista externa de una bomba de engranajes. Referencia: Parker Hannifin .................. 45
Figura 4.5. Masa de control del aceite en el recipiente ................................................................. 46
Figura 4.6. Demostración gráfica Ecuación (4) ............................................................................. 47
Figura 4.7. Datos Comportamiento de Bombas PGP365. Fuente: Parker ..................................... 48
Figura 4.8. Máximo torque y tipo del eje de entrada. Fuente: Parker ........................................... 49
Figura 4.9. Generación de código Bomba hidráulica Parker. Fuente: Parker ............................... 50
Figura 4.10. Comportamiento de intercambiadores. Tasa de transferencia de calor (Btu/hr/°F) vs
Flujo Volumétrico (GPM) ............................................................................................................. 51
Figura 4.11. Intercambiador ULAC marca Parker. Fuente: Parker Hannifin................................ 52
Figura 4.12. Flujo vs Perdida de presión Filtros de succión según conexión NPT ....................... 53
Figura 4.13. Filtro de succión magnético ...................................................................................... 54
Figura 4.14. Perdida de presión vs Flujo volumétrico. Filtro de salida de la serie 40CN ............. 54
9
Figura 4.15. Filtro de salida de la serie CN40 ............................................................................... 55
Figura 4.16. Válvula de alivio proporcional Parker ...................................................................... 56
Figura 4.17. Presión interna de una tubería ................................................................................... 57
Figura 4.18. Tanque hidráulico...................................................................................................... 59
Figura 4.19. Vista lateral Elementos mecánicos............................................................................ 60
Figura 4.20. Borg Warner T5 de Ford ........................................................................................... 61
Figura 4.21. Esfuerzos cortantes sobre un perno ........................................................................... 62
Figura 4.22. Fuerzas sobre una cuña. ............................................................................................ 64
Figura 4.23. Vista isométrica del banco motor .............................................................................. 66
Figura 4.24. Diagrama de fuerzas Banco motor. Fuente: Autor.................................................... 67
Figura 4.25. Preprocesamiento Banco Motor. Fuente: Autor ....................................................... 69
Figura 4.26. Von Mises Banco Motor. Fuente: Autor ................................................................... 70
Figura 4.27. Vista Isométrica Banco Transmisión ........................................................................ 71
Figura 4.28. Esquema físico del Circuito Electrónico de Potencia ............................................... 72
Figura 4.29. Diagrama electrónico de potencia. ............................................................................ 73
Figura 4.30. Dimensiones generales del Dinamómetro para motores eléctricos. Vista Superior.
Unidades en mm. ........................................................................................................................... 74
Figura 4.31. Diseño CAD del dinamómetro para motores eléctricos. ........................................... 75
Figura 4.32. A). Desalineación lineal o paralela. B) Desalineación angular. C) Alineamiento
perfecto .......................................................................................................................................... 76
Figura 4.33. Alineador de ejes TKSA 41 de la marca SKF ® ...................................................... 76
Figura 4.34. Sistema de transmisión de potencia sin acople ......................................................... 77
Figura 4.35. Sistema de trasmisión de potencia con acople flexible ............................................. 77
Figura 4.36. Acople Flexible Rexnord Thomas XTSR52-71 ® .................................................... 78
Figura 4.37. Nivel digital Mitutoyo ............................................................................................... 78
Figura 4.38. Partes del cordón de soldadura .................................................................................. 79
Figura 4.39 Dimensiones de la soldadura en ángulo ..................................................................... 79
Figura 4.40. Calibrador de soldadura digital ................................................................................. 81
Figura 4.41. (Izq) Garganta de base caja. (Der) Garganta de base motor ..................................... 81
Figura 5.1. Zonas de la Interfaz de simulación del dinamómetro ................................................. 84
Figura 5.2. Caso particular de la simulación del dinamómetro ..................................................... 85
Figura 5.3. Diagrama de flujo de las pruebas preliminares ........................................................... 86
10
Figura 5.4. Representación gráfica del Paso 2 @ 4000 [RPM]. Pruebas Preliminares. (a) 500 [PSI].
(b) 1200 [PSI] ................................................................................................................................ 87
Figura 5.5. Representación gráfica del Paso 3. Pruebas Preliminares. Tope de 1627 [PSI] ......... 88
Figura 5.6. Diagrama de flujo de las pruebas de rendimiento ....................................................... 90
Figura 5.7. Representación del Paso 4 @2000 [RPM]. Pruebas de desempeño. (a) 500 [PSI]. (b)
1050 [PSI] ...................................................................................................................................... 91
Figura 5.8. Representación del Paso 4 Alternativo @2000 [RPM]. Pruebas de desempeño. (a) 500
[PSI]. (b) 3500 [PSI] ...................................................................................................................... 91
Figura A.1 Temperatura vs Tiempo del aceite hidráulico ........................................................... 107
Figura B.1 Representación del flujo de calor por resistencias térmicas ...................................... 108
Figura D.1 Selección de referencia para orden de compra Válvula de Alivio proporcional ....... 111
Figura D.2. Código Orden de compra Válvula de Seguridad ...................................................... 111
Figura D.3. Válvula de Seguridad con cuerpo de válvula ........................................................... 112
Figura D.4. Código orden de compra Válvula de dos vías .......................................................... 112
Figura D.5. Válvula de dos vías con cuerpo de válvula .............................................................. 112
Figura H.1 Diagrama de fuerzas del Banco Transmisión ............................................................ 116
Figura H.2 Preprocesamiento y mallada del Banco Transmisión ............................................... 117
Figura H.3 Von Misses Banco Transmisión ................................................................................ 118
Figura O.1 Perfil de la chaveta Corte por Electrosionadora ........................................................ 127
11
LISTA DE TABLAS
Tabla 2.1 Ventajas y desventajas Dinamómetro Corrientes de Eddy............................................ 25
Tabla 2.2. Ventajas y desventajas dinamómetro AC o DC ........................................................... 26
Tabla 2.3. Ventajas y desventajas Dinamómetro hidráulico ......................................................... 28
Tabla 2.4. Criterio de selección de alternativas ............................................................................. 29
Tabla 4.1. Caudal vs Presión Bomba teórica de 100 HP ............................................................... 45
Tabla 4.2. Filtros de entrada según conexión tipo NPT ................................................................ 53
Tabla 4.3. Relaciones de velocidad Transmisión Borg Warner T5 ............................................... 61
Tabla 4.4. Datos del motor de referencia....................................................................................... 67
Tabla 4.5. Datos de entrada preprocesamiento .............................................................................. 69
Tabla 4.6. Resultados del postprocesamiento ................................................................................ 70
Tabla 4.7. Coeficiente de correlación 𝛽𝑤 ..................................................................................... 80
Tabla H.1 Datos de entrada preprocesamiento ............................................................................ 117
Tabla H.2 Resultados del postprocesamiento Banco Transmisión.............................................. 118
Tabla R.1 Elementos que componen el sistema hidráulico ......................................................... 131
12
1. INTRODUCCIÓN.
La primera invención del motor, el que sentaría las bases para lo que ahora conocemos, fue Andrew
Gordon, un físico escocés capaz de crear un motor que funcionase con electricidad [1]. A lo largo
de más de 100 años después de esta aparición, el electromagnetismo tomo un auge de gran
importancia tanto para el conocimiento que se impartía en las universidades como el desarrollo
tecnológico de algunas industrias. Fue hasta 1866 cuando el inventor Werner Von Siemens [2] creó
una patente de un motor con características electromagnéticas estables y que aportaría en gran
medida al desarrollo de nuevas patentes al paso del tiempo.
Figura 1.1 La dinamo. Werner von Siemens. 1866
A pesar de este gran avance, no es sino hasta la época actual, donde uno de los retos principales
para el uso de motores eléctricos en los vehículos es la aún limitada energía que puede almacenarse
en las baterías. Tecnologías como las celdas de hidrogeno [3] o las baterías de ion litio [4], son
algunas de tantos desarrollos que han incrementado la posibilidad del reemplazo de energías
limpias y aplicación de elementos motrices eléctricos por los de combustión interna, aportando un
13
cambio para el mejoramiento de la calidad del aire que tanto ha estado afectando no solo a la
República Mexicana [5] sino a lo largo de todo el planeta.
Las investigaciones para mejorar la eficiencia de los vehículos eléctricos (VE) es una constante
que ha llevado en países europeos a cuadruplicar ventas en cuatro años hasta el punto de que en
algunos países como Francia, Noruega o Alemania el costo de un VE puro de algunas marcas es
menor que su contraparte a gasolina [6] Conocer el comportamiento de un motor para fines
automotrices es sumamente vital, debido a que existen investigaciones que plantean un aumento
mayor de eficiencia energética en los VE si se mantiene funcionando el motor en su rango de
eficiencia óptimo por medio del diseño e implementación de una transmisión de 3 o más
velocidades [7].
1.1. ANTECEDENTES.
El motor eléctrico, como unidad de transformación de energía eléctrica a mecánica tiene un
comportamiento característico y varía dependiendo del tipo de motor usado: asíncrono de jaula de
ardilla, sin escobillas o de imanes permanentes.
Muchas industrias a nivel mundial se dedican a la investigación, desarrollo y producción de
dinamómetros para motores. En la actualidad, a pesar de su costo, es común encontrar
dinamómetros de corrientes de Foucault debido a que su precisión en el momento de la puesta en
marcha y la adquisición de datos son excelentes. Empresas como DYNO-mite Dynamometer ® [8],
ubicado en Concord, Nuevo Hampshire, Estados Unidos, es una de las empresas con mayor
mercado a nivel mundial. Actualmente cuentan con una variedad de dinamómetros de chasis y
motor que llegan a capacidades de hasta diez mil caballos de potencia, siendo una de las que más
distribuye en el continente.
14
1.2. JUSTIFICACION
Según datos de la Organización Internacional de Constructores de Automóviles (OICA), México
ocupa actualmente el segundo puesto como productor de automóviles a nivel del continente
americano y sexto a nivel mundial, reflejando la importancia del desarrollo investigativo y de
producción de vehículos en el país [9].
En cuanto a vehículos eléctricos e híbridos se trata, el año 2019 fue un excelente año ya que, según
datos del Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI), la industria automotriz mexicana
produjo más de 19 mil vehículos híbridos y eléctricos, lo que significó un aumento en un 10% de
la producción respecto al 2018 [10]. Así pues, existe el reto de profundizar las investigaciones
dirigidas al tema de la movilidad eléctrica, el cual está en pleno crecimiento nacional y, teniendo
en cuenta lo difícil que puede ser tener acceso a las tecnologías que se utilizan para el análisis
investigativo a nivel académico e industrial de algunas partes esenciales, como los motores
eléctricos con propósitos automotrices.
SENER-FIRSE y el Tecnológico de Monterrey en Toluca se han asociado con la intención de
ejecutar un proyecto basado en el desarrollo de laboratorios enfocados a la investigación para
vehículos eléctricos. Disponer de estos laboratorios podría impulsar a empresas mexicanas a
evolucionar y tomar partido en la solución de problemáticas que encierren el ámbito de transportes
por energía limpias. Por ejemplo, MOLDEX, una empresa asociada al grupo Bimbo, acaba de
desarrollar una flota de vehículos eléctricos para usarlos en la distribución de mercancía en algunas
zonas como el Estado de México y la Capital del país [11].
Debido a estas necesidades, se dispone a diseñar y construir un dinamómetro para motores
eléctricos en el laboratorio de mecatrónica automotriz del Centro de Investigación en Mecatrónica
Automotriz (CIMA) en la sede de Toluca del Tecnológico de Monterrey, donde se podrán diseñar
y ejecutar metodologías de pruebas, basadas en las normas actuales propuestas por las
organizaciones pertinentes, para obtener análisis concernientes al comportamiento, desempeño y/o
características de cualquier motor de propulsión eléctrica en vehículos automotrices, abriendo las
puertas a los interesados en el progreso académico, de capital humano y tecnológico en el país.
15
Cabe mencionar que, el CIMA, a pesar de contar con un dinamómetro SuperFlow SF902 [12],
usado actualmente para las investigaciones en motores a combustión, los problemas mecánicos, de
acoplamiento, disposición tecnológica y espacio no permiten una adaptación flexible para el uso
tanto de los motores que actualmente se ponen a prueba en este dispositivo como energizados
eléctricamente.
1.3. OBJETIVOS.
1.3.1. OBJETIVO GENERAL.
Diseñar un dinamómetro hidráulico para la evaluación de motores eléctricos con propósitos
automotrices de hasta 100 HP
1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS.
• Calcular (Diseñar) y seleccionar:
o La capacidad de la bomba hidráulica necesaria para someter al motor hasta una potencia
máxima de diseño de 100 HP @ 6000 RPM
o La potencia frigorífica para el radiador de aceite enfriado por aire.
o Los componentes de la transmisión que va del motor eléctrico a la bomba hidráulica.
o El sistema electrónico de potencia para cualquier motor eléctrico automotriz para la
capacidad seleccionada.
o Los componentes del sistema hidráulico que soporten presiones de hasta 3500 PSI.
• Diseñar y Construir:
o Un soporte para motores eléctricos flexible.
o El bastidor de cada uno de los subsistemas que componen el dinamómetro.
16
2. MARCO TEÓRICO.
La incentivación al desarrollo de vehículos cuyo tren motriz es propulsado con motores eléctricos,
ha generado la apertura de campos de investigación enfocados en el estudio y aprovechamiento
energético. Desde el punto de vista de los motores, el diseño y construcción de estos ha permitido
la creación de bancos de pruebas, llamados dinamómetros de motor, en las que, dichas máquinas
motrices se ubican en una base, en la cual su eje mecánico de salida se conecta a un sistema, el
cual, generará la carga suficiente para tomar datos del comportamiento dinámico del motor para
luego, usar estos datos en la evaluación y validación de los motores eléctricos.
En el presente capítulo, se hará una breve y concisa descripción de las alternativas tecnológicas
que existen actualmente para la creación de las fuerzas resistivas sobre el eje de cualquier máquina
rotativa cuya energía puede ser eléctrica o petroquímica. Además, se dará una contextualización
de los bancos de pruebas que existen actualmente a nivel de la República Mexicana y a nivel
Mundial para finalizar con una metodología para la selección de la mejor alternativa tecnológica
que será usada para el diseño y construcción del dinamómetro de motor.
2.1. CLASIFICACIÓN DE DINAMÓMETROS.
En el transcurso del diseño y desarrollo de un nuevo motor es de suma necesidad evaluar el
comportamiento dinámico con la ayuda de mecanismos que permitan simular las condiciones
normales a las que se expondrá dicho motor, ya sea para impulsar un automóvil o para energizar
alguna máquina industrial. Actualmente, se emplean herramientas mecánicas capaces de generar
17
una carga o fuerza en el eje motriz llamados dinamómetros. En el caso particular y que abordará el
presente escrito serán los mencionados dinamómetros de motor pasivos, los cuales son aquellos
donde el eje del dinamómetro se conectara de manera coaxial y directa al eje del motor, con la
propiedad o característica de absorber total o parcialmente la potencia mecánica. Así entonces,
pueden ser aplicados, dependiendo del alcance de la tecnología de control a disposición, diferentes
normas estandarizadas, las cuales tienen como propósito final obtener las curvas características de
potencia, torque y eficiencia, además de gases de combustión para motores a gasolina o la corriente
y voltaje consumidos en el caso de motores eléctricos.
La ingeniería permite emplear infinidad de diseños para la creación de carga sobre el motor.
Actualmente resaltan tres clases de dinamómetros de motor, caracterizados por su fiabilidad y una
gran versatilidad de potencias permisibles. Básicamente son: Dinamómetro hidráulico,
Dinamómetro AC o DC y Dinamómetro por corrientes de Eddy. A continuación, se dará una
descripción de cada uno con la inclusión de plantear las ventajas y desventajas que los caracteriza.
2.1.1. DINAMÓMETRO HIDRÁULICO.
Es clave considerar que un fluido incompresible puede someterse a grandes valores de presión sin
que este altere su volumen en un espacio delimitado [13]. Los dinamómetros usan este principio
básico de la hidráulica para generar cargas simuladas sobre los motores en proceso de evaluación.
Ya sea agua o aceite los fluidos principalmente usados para este fin, normalmente se requiere de
una bomba, la cual creará el impulso necesario para que el fluido se mueva a cierta velocidad y,
dependiendo de las restricciones que existan a la salida, se pueden crear niveles de presión, según
sea lo requerido.
Una bomba necesita de una máquina de la cual pueda obtener la potencia necesaria para cumplir
con sus funciones básicas de manejo de caudal volumétrico y de presiones sobre algún sistema.
Así entonces, teniendo en cuenta que el elemento motriz es el motor para caracterizar, el caudal
volumétrico de la bomba se traduce como una velocidad angular en el motor y la presión ajustada
en del sistema hidráulico aparece gracias al torque mecánico generado en el eje motriz, por lo que,
18
es posible obtener los perfiles o curvas de potencia y torque características de cualquier motor en
función de las revoluciones por minuto de este.
Figura 2.1. Diagrama mecánico de un dinamómetro hidráulico
La Figura 2.1 muestra un diagrama básico de un dinamómetro hidráulico. Allí se muestra como
elemento de obstrucción una válvula de alivio, la cual, puede ser tarada a la presión indicada para
evaluar el motor en sus regímenes que establezcan las normas usadas para la investigación y
caracterización del motor [14]. Así mismo, el fluido, al estar a presiones altas aumentará
eventualmente su temperatura, por lo que, algunas veces es necesario disponer de un sistema de
intercambio de calor y, por último, hacia el retorno al tanque, un filtro de partículas.
2.1.2. DINAMÓMETRO AC O DC.
Cuando se dispone de buenos recursos monetarios, la industria generalizada gusta de usar este tipo
de dinamómetro debido al completo poder para controlar de manera precisa y muchas veces
computarizada la carga que debe suplir el elemento motriz a evaluar. Básicamente consta de un
motor que hará las veces de generador conectado (Ver Figura 2.2), por medio de un acople, los ejes
motriz e impulsado y en ciertas ocasiones, existe la necesidad de usar una reducción debido a las
altas revoluciones del generador o al bajo rango de trabajo del generador [15]. La clave para la
producción de potencia está en el reóstato o resistencia variable, ya que con ella se podrá obstruir
el paso de corriente del generador creando una carga eléctrica en el devanado, lo que conducirá a
una eventual carga dinámica en el eje motriz. Esta cantidad puede ser calculada directamente con
la siguiente ecuación, sin tener en cuenta perdidas de ninguna índole:
19
𝑃 = 𝐼2 ∗ 𝑅 (𝐸𝑐. 1)
Figura 2.2. Esquema de un dinamómetro AC/DC
Donde P es la potencia eléctrica generada, I la corriente circulando en el devanado y R el valor de
la resistencia variable [16].
El tamaño de los generadores es proporcional a la potencia máxima que pueden entregar. Al ser un
objetivo de importancia poder llegar a valores de potencia de hasta 100 caballos, el tamaño del
generador es considerable; en efecto, comparando la proporción potencia-peso o potencia-tamaño,
sin duda, un generador tendrá un valor mucho mayor al de una bomba hidráulica. Esta observación
fundamenta otro problema consecuente en el efecto de la inercia de los elementos, ya que, al tener
elementos de gran tamaño, el tiempo de estabilización en el momento de ejecución de las pruebas,
afectará los resultados que se desean obtener.
El tener un dinamómetro de este tipo implica poseer un equipo sofisticado capaz de controlar las
variables eléctricas del sistema, dependiendo el tipo de prueba realizada y de disipar las altas
20
producciones de calor generadas. Todo esto conlleva un alto costo en infraestructura y equipos, lo
cual eleva en gran medida el precio del dinamómetro respecto al de un dinamómetro hidráulico.
2.1.3. DINAMÓMETRO DE CORRIENTES DE FOUCAULT.
El principio de funcionamiento básico de este dinamómetro se desarrolla sobre las teorías de
corrientes parásitas o de Foucault y la Fuerza electromagnética de Lorenz. Cuando un elemento
conductivo pasa a cierta velocidad por un campo magnético se induce una corriente en espiral que,
a su vez genera un campo magnético que se opone al efecto del campo magnético aplicado en el
conductor. Es así como se crea una fuerza (Fuerza de Lorentz) debido a los campos magnéticos
inducidos cuyo sentido es contrario al sentido al cual se mueve el elemento conductor. La Figura
2.3 muestra un ejemplo de cómo funciona dicho principio, donde el campo magnético de un imán
incide en un tubo de algún conductor corrientes circulares que generan campos contrarios en cada
polo del imán, lo que provoca una fuerza contraria que trata de solventar la fuerza gravitacional.
Figura 2.3. Principio de funcionamiento de un freno por corrientes de Foucalt
Muchos de los dinamómetros de chasis actuales usan esta tecnología al igual que los frenos de
algunos tractocamiones [17]. En un dinamómetro de motor de corrientes parasitas (Figura 2.4), dos
bobinas son conectadas a lado y lado del conductor, que como bien se sabe, debe ser un elemento
conductor. A diferencia de los generadores, estos no producen electricidad, por el contrario,
necesitan de una fuente externa que energice las bobinas generando una fuerza electromotriz
contraria al movimiento del rotor, por lo que, si esto sucede, el motor evaluado debe esforzarse
21
para mantener el disco a un régimen de velocidad constante. La magnitud de esta fuerza es
proporcional a la corriente, además, la potencia eléctrica suministrada por la fuente externa puede
ser medida y con esta información puede calcularse la potencia mecánica entregada por el motor a
prueba considerando que no halla perdidas mecánicas ni electromagnéticas en el sistema. Otra
ventaja, es el rápido control sobre la velocidad del motor debido a la total potestad respecto a la
diferencia de potencial suministrado en las bobinas considerando la necesidad de tener un equipo
sofisticado que permita dicho manejo, lo cual, aporta una mayor cantidad en el precio neto del
dinamómetro.
Figura 2.4. Dinamómetro de corrientes parásitas (Eddy Current [54])
Por otra parte, una de sus grandes desventajas es la gran cantidad de calor que se genera debido a
que prácticamente toda la energía mecánica que produce el motor se transforma en energía calórica,
donde, según sea necesario, debe ser disipada por un intercambiador de calor normalmente de agua
o de aire aumentando aún más el costo del equipo.
En la sección 2.3 del escrito se encuentra una comparativa entre cada tipo de dinamómetro expuesto
anteriormente, con la finalidad de elegir el sistema que más convenga bajo ciertos parámetros
influyentes directamente sobre en el diseño conceptual del dinamómetro.
22
2.2. ESTADO DEL ARTE.
En la industria automotriz, el mercado de vehículos eléctricos está abriendo paso para llegar a
posicionarse por encima de la comercialización de los automotores a gasolina [18]. Sin embargo,
llegar a este punto indica un esfuerzo frente a la investigación y desarrollo que permita consolidar
esta nueva forma de movilización global. En la literatura y en la producción industrial, se
encuentran grandez hallazgos y fabricaciones referentes a mecanismos que permitan evaluar el
comportamiento de un motor eléctrico. A pesar de que algunos de ellos se enfoquen en diseñarlos
para motores a combustión, toda la información encontrada es de utilidad para los fines de este
proyecto.
McNamee, Monk, Page y Taglieri [19], en su tesis plantean una metodología de diseño de todo el
sistema hidráulico de un dinamómetro de motor mixto (es decir, activo y pasivo) para motores de
hasta 11 HP (Horse Power por sus siglas en inglés). Allí, calculan los requerimientos de la bomba
a usar, junto con el tamaño del tanque, la selección de los dispositivos hidráulicos, el flujo de calor
al ambiente por convección y radiación natural desde el tanque, además, del intercambiador de
calor necesario para sustraer del sistema la energía calórica restante, teniendo en cuenta que el
aceite tiene un rango de temperatura en el cual sus propiedades no resultan afectadas.
En muchas ocasiones no es necesario el uso de intercambiadores de calor, sobre todo, en sistemas
donde usan algún fluido como productor de carga y a la vez cumple la función de disipar el calor
en el dinamómetro. Jose Sánchez [20] se plantea la posibilidad de no usar algún sistema de
enfriamiento, teniendo en cuenta el valor máximo de potencia que su dinamómetro puede soportar
y haciendo un análisis energético de transferencia de calor bajo la premisa de que el 25 % [21] de
la potencia a transmitir, se va por calor al fluido.
Por otra parte, es importante tener en cuenta las normas estandarizadas que rigen la evaluación y
validación de un elemento motriz energizado eléctricamente. Entidades como la IEC (Comisión
Electrotécnica Internacional, más conocida por sus siglas en ingles) y la IEEE (“Instituto de
Ingeniería Eléctrica y Electrónica”, por sus siglas en ingles), plantean diferentes maneras de llevar
23
a cabo pruebas de las cuales se puedan sustraer datos importantes de un motor eléctrico. Vodovozov
en dos de sus artículos [22][23] recomienda el uso de la norma estándar IEC 60034-2 [24] para
determinar las pérdidas y eficiencias de un motor eléctrico con el propósito de obtener las curvas
de eficiencia, torque y potencia en un régimen de velocidades del motor planteado en dicha norma.
Sin embargo, dicha norma tiene la limitante de ser restringida para motores con propósitos
automotrices, por lo que se aplicaría el último procedimiento estándar de pruebas emitido por la
IEEE, usado por Jordan. H et al., el cual se enfoca en el estándar IEEE 112 del año 1996.
Para realizar las pruebas, es necesario calcular el número de repeticiones confiable en la toma de
datos. Ariza en su tesis [25] establece una prueba preliminar para determinar el tamaño de la
muestra, usando una fórmula de estadística básica, lo cual aportaría a este trabajo una solidez en
cuanto a la fiabilidad de la metodología propuesta para las pruebas de desempeño.
Ahora bien, tomando la postura de visualización general, se encuentra que en su mayoría se
implementan dinamómetros para motores eléctricos que usan, de igual manera, la electricidad
como producto o fuente para el desarrollo de perfiles de carga. En busca de desarrollar sistemas
más económicos, se plantea el uso de fluidos como fuente de trabajo. Por una parte, Jose Sánchez
y McNamee aportan todo lo necesario para calcular el sistema hidráulico en su totalidad, a pesar
de que la potencia manejada es muy limitada y no planteen ciertas normas necesarias para la
evaluación de los motores como lo implementa Vodovozov en su par de artículos, donde
encontramos la importancia del uso de estándares que permitan tener una confiabilidad en el futuro
desarrollo y venta de equipos motrices energizados eléctricamente. Adicionalmente, permite dar
una pequeña visualización del control básico existente sobre los motores eléctricos que permite un
apoderamiento total en cuánto a los recursos energéticos y todo el rango de velocidades que puede
adquirir a pesar de que no desarrolle un esquema preciso de la instalación aparte de la limitante ya
mencionada, acerca de la potencia máxima que maneja este dinamómetro.
2.3. SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS.
24
En el presente ítem se mostrarán los pros y contras de cada una de las alternativas consideradas
para el diseño del dinamómetro de motor y, de igual manera, se explica la lógica de selección usada
para establecer el mejor diseño con base en criterios explicados detalladamente, dándoles un valor
cuantitativo a cada uno para finalizar con la ponderación que resultará en el hallazgo de la solución
con mayor calificación y que, consecuentemente, será la ganadora.
Desde su invención como objeto de medición para motores, los dinamómetros de motor han
evolucionado con el fin de mejorar su rendimiento y capacidades. Actualmente en el mercado de
ventas, en las investigaciones ingenieriles, en el desarrollo de tesis universitarias y la literatura
general, encontramos varias propuestas de diseño para la arquitectura de un banco de pruebas para
motores tanto de gasolina como eléctricos.
Así pues, bajo la premisa e investigación de diferentes alternativas, se plantearon tres opciones
basadas en la tecnología actual y las tesis o publicaciones a nivel ingenieril relacionadas con este
tema.
2.3.1. DINAMÓMETRO DE CORRIENTES DE EDDY.
Las corrientes de Eddy o de Focault descubiertas en el año de 1851. Estas corrientes se producen
cuando un conductor atraviesa un campo magnético y el movimiento relativo entre ellos induce
una corriente de electrones sobre el conductor. Estas corrientes, llamadas de Foucalt, crean
electroimanes con campos magnéticos que se oponen a los que fueron aplicados.
La gran ventaja de este dinamómetro es la altísima precisión y mando sobre la velocidad del motor
debido al fácil manejo o control de la diferencia de potencial que entrega la fuente exterior. Esto
mismo ocasiona que, a diferentes velocidades que se pueden mantener constantes a lo largo del
tiempo, se obtengan mediciones exactas tanto del torque resistente como de la potencia del motor
y de esta manera obtener las curvas características del motor eléctrico.
Aunque el mantenimiento de este equipo se acerca a lo nulo, estos sistemas disipan alta energía lo
que aumenta la temperatura del disco y componentes que hacen contacto con este, por lo que existe
25
la necesidad de disponer de un sistema de refrigeración que en su mayoría es por agua, sobre todo
para dinamómetro de alta potencia. Este hecho aumenta la complejidad y sumando el costo del
dispositivo hacen que el precio de este dinamómetro sea elevado.
A manera de resumen, la siguiente tabla plantea las ventajas y desventajas más importantes bajo la
aplicación que se desea manejar.
Tabla 2.1 Ventajas y desventajas Dinamómetro Corrientes de Eddy
CORRIENTES DE EDDY
VENTAJAS DESVENTAJAS
Alta precisión del control para rangos diferentes
de torque y RPM Es el dinamómetro de mayor costo
Alto torque de frenado a muy bajas RPM Alta inercia debido a los componentes de su
generador
Mantenimiento simple y menos frecuente Necesidad de un control sofisticado y preciso
(alto costo)
Mecánicamente son simples Refrigeración muy controlada ya que estos se
calientan fácilmente.
Detecta variaciones de carga rápidamente Para refrigeración por agua, más instalación,
más costo.
2.3.2. DINAMÓMETRO AC O DC.
Estos dinamómetros son los más usados a nivel ingenieril, dependiendo de la aplicación requerida.
Aquí el motor de prueba está conectado directamente o por medio de una reducción mecánica a la
flecha del motor DC o AC, el cual se comporta en este caso como un generador de corriente.
En algunas ocasiones la corriente generada es reutilizada para diferentes fines tales como la carga
de algún dispositivo, la puesta en funcionamiento de un motor externo o ajeno al dinamómetro, o
la retroalimentación al motor de prueba. Para potencias de motor bajas son perfectos, ya que poseen
26
la mayoría de las ventajas en la medición de las variables de importancia como las corrientes de
Eddy y son más económicos que estos.
Ahora, la mayoría de las desventajas surgen para potencias altas, del orden de 50 HP en incremento.
Una de ellas es que el generador debe tener un gran tamaño, ocupando espacio, dificultando su
transporte (si es necesario) y generando una alta inercia por su devanado, lo que dificulta
potencialmente la toma de datos de la potencia o torque del motor analizado en pruebas de
aceleración o de velocidad constante debido al tiempo invertido para alcanzar el estado estable del
sistema interno del generador DC. Por otra parte, en proporción a su tamaño el costo también
aumenta y a su vez el sistema de control se hace más complicado de desarrollar. Por último, otra
desventaja a resaltar es la generación de energía por calor, requiriendo de un circuito de
refrigeración, elevando el costo de todo el banco de pruebas.
Para resaltar los detalles genéricos de importancia sobre este dinamómetro, se ha desarrollado una
tabla característica bajo la premisa de que se fundamenta en un generador para requerimientos de
potencia de hasta 100 HP.
Tabla 2.2. Ventajas y desventajas dinamómetro AC o DC
GENERADOR AC o DC
VENTAJAS DESVENTAJAS
Alta precisión del control para rangos
diferentes de torque y RPM
Mucha más inercia de sus elementos que el
hidráulico
Posibilidad de usarse como motor de ensayo Costo elevado
Mantenimiento simple y menos frecuente Se restringen su uso para potencias bajas y
medias
Alto torque de frenado a muy bajas RPM Necesidad de un espacio amplio de
instalación
2.3.3. DINAMÓMETRO HIDRÁULICO.
27
Básicamente este sistema está compuesto por una bomba hidráulica que, dependiendo de las
revoluciones a la que este girando, genera el caudal a la cual está diseñada. Luego, a la salida,
suponiendo que no haya alguna obstrucción, el fluido es llevado hasta el final de la línea a la presión
ambiente en donde se encuentre el sistema en ese momento. Ahora, si se dispone de algún tipo de
barrera entre la bomba y el final de la línea, llámese reguladora de presión, caudal u otro
dispositivo, en este tramo la presión ira aumentando cada vez más, hasta que exista algún tipo de
liberación de dicha presión. Si existiese una manera, y es así, de controlar el valor de presión en la
sección entre la salida de la bomba y el obstáculo, se podría exigir en valores fijos la acción sobre
el sistema hidráulico del elemento motriz que lo potenciaría, es decir, el motor a evaluar.
Las bombas hidráulicas tienen la gran ventaja de generar potencias altísimas siendo el componente
como tal mucho más pequeño que las anteriores propuestas de diseño. A su vez, como consecuencia
del tamaño, encontramos que una bomba de este tipo prácticamente carece de inercias que puedan
afectar la medición en pruebas de aceleración, permitiendo una lectura precisa de las variables
dinámicas del motor.
Comercialmente, las bombas hidráulicas tienen una variedad de productos para diferentes
aplicaciones ingenieriles de alta potencia, es decir, el mercado es abundante y como consecuente
su precio es accesible siendo hasta 10 veces más que las máquinas de frenado tanto de las corrientes
de Eddy como del generador eléctrico.
Por otra parte, los dinamómetros hidráulicos permiten manejar potencias de frenado altas a bajas
RPM y viceversa, ya que es existen dos variables relacionadas y que se pueden controlar con
relativa facilidad: El caudal y la presión del sistema. Esto último, permite disponer de un rango
infinito de potencias y velocidades para la evaluación del motor a analizar, aunque sea requerido
un mantenimiento preventivo y periódico para evitar que la precisión de la que se hace mención en
este escrito vaya disminuyendo.
A continuación, se presenta un resumen de los aspectos positivos y negativos de este sistema
dinamométrico, con la premisa de que estos aspectos son los de más importancia en función del
presente proyecto.
28
Tabla 2.3. Ventajas y desventajas Dinamómetro hidráulico
DINAMÓMETRO HIDRÁULICO
VENTAJAS DESVENTAJAS
Entre los 3, es el de menor costo de
implementación
Mantenimiento recurrente (Bombas,
reguladores, líneas de suministro)
Permite ensayos de aceleración más precisos Diseño de infraestructura riguroso
Tamaño reducido hasta para potencias altas Necesidad de un sistema de reducción para
las altas RPM de los motores eléctricos
Baja inercia de sus elementos
Sus componentes tienen variedad de
comercialización
Detección de variaciones de carga aún más
precisos que los de corrientes parásitas.
2.3.4. CRITERIO PARA LA SELECCIÓN DEL SISTEMA DE CARGA.
En el anterior capítulo se pudo vislumbrar las características generales de tres diferentes
arquitecturas para la construcción de un dinamómetro de motor eléctrico. El siguiente paso por dar
es la selección del sistema indicado para la aplicación que se plantea diseñar y construir, utilizando
una matriz de selección sencilla, donde se comparan alternativas por medio de criterios de selección
que correspondan a las características principales de cada dinamómetro y a su vez, sean
comparables entre sí [26].
En cada criterio se asignará un valor de 3 a 1, siendo 3 la alternativa con mejores características en
cada criterio y 1 es el peor. Por ejemplo, unos de los criterios es costo. Ahora, basado en las
características, desventajas y ventajas dadas anteriormente, un dinamómetro hidráulico sería el más
económico, por tanto, recibirá un valor de 3 en dicho criterio, en cambio, el de corrientes de Eddy
tendrá el peor valor, es decir, 1. Luego, calificando cada uno, se sumarán los valores de cada
alternativa, siendo la escogida aquella que sume el mayor valor entre las tres. En caso de empate,
se tomará como criterio de desempate el costo.
29
Los ítems para considerar en la selección de alternativas serán: Seguridad, Costo, Tamaño, Inercias,
Ensamble (Infraestructura y Construcción), Precisión, Mantenimiento y Conocimiento previo.
Tabla 2.4. Criterio de selección de alternativas
Basándose en los resultados de la Tabla 2.4, para criterio de selección de la arquitectura de frenado
o producción de torque del dinamómetro para motores eléctricos, se escoge con un puntaje total de
19 unidades, el sistema hidráulico.
Alternativas Hidráulico AC/DC Corrientes de Eddy
Cri
teri
os
Seguridad 3 2 1
Costo 3 2 1
Tamaño 3 1 2
Inercias 3 1 2
Ensamble 1 2 3
Precisión 2 1 3
Mantenimiento 1 3 2
Conocimiento previo 3 2 1
TOTAL 19 14 15
30
3. METODOLOGÍA PROPUESTA.
.
La Figura 3.1 muestra gráficamente la metodología de diseño propuesta para el presente proyecto.
Se abarcará desde el diseño hidráulico de los elementos, pasando por un análisis estructural por
elementos finitos de los bancos de pruebas, culminando con la construcción y validación del banco
de pruebas bajo normas ya estandarizadas. A continuación, se explicará punto a punto,
conceptualmente, como se abordará cada una de las estaciones que corresponden a la metodología
propuesta.
3.1. SELECCIÓN DIAGRAMA HIDRÁULICO.
Hasta este punto es un hecho que el dinamómetro a diseñar será uno basado en un sistema
hidráulico cuya carga se ha de generar gracias a la incursión de un fluido con características como
baja compresibilidad, buenas propiedades de lubricación o poca influencia de la temperatura sobre
la viscosidad.
31
Figura 3.1. Diagrama de flujo del proceso de diseño u construcción del dinamómetro
Antes de empezar algún cálculo, es preciso distinguir las diferentes configuraciones hidráulicas
que podrían cumplir con el propósito de mantener la presión en el sistema, según lo requiera. En
[19] proponen diferentes configuraciones que posiblemente cumplirán con el objetivo. La
configuración básica consta de una bomba hidráulica la cual impulsara el fluido, una restricción al
32
flujo volumétrico del fluido conocida como reguladora de caudal y una válvula de alivio, elemento
influyente al momento de mantener la presión en la línea de descarga de la bomba y con la que se
podría emular la carga sobre el motor eléctrico. La Figura 3.2 muestra la simbología de algunos
elementos hidráulicos a considerar, teniendo en cuenta la inclusión de nuevos dispositivos a lo
largo del capítulo, según la influencia que tenga sobre un diseño conceptual específico.
Figura 3.2. Simbología elementos hidráulicos básicos
En textos como El manual de hidráulica Industrial [21] o Fundamentos y componentes de la
oleohidráulica de Rexroth [22] se encuentra la literatura básica para entender el funcionamiento
de cada uno de los componentes que se seleccionarán y usarán para construir el dinamómetro.
3.2. DISEÑO Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS HIDRÁULICOS.
Se ha seleccionado el sistema hidráulico más conveniente con los requerimientos. Posterior a ello,
se procede al diseño del dinamómetro como una unidad de generación de carga hidráulica donde
se comenzará con el cálculo de la potencia que deberá suplir la bomba teniendo en cuenta lo que
el proveedor tenga a disposición en venta y el requerimiento planteado en los objetivos iniciales:
𝐻 = 𝑄 ∗ ∆𝑃 (𝐸𝑐. 2)
Donde H sería la potencia hidráulica por sostener, Q el flujo volumétrico de la bomba y ∆P, la
presión máxima en el sistema a la cual la bomba fue diseñada para soportarlo. Por otra parte, las
tuberías son parte esencial del sistema ya que interconectan cada uno de los componentes tales
33
como válvulas, intercambiadores, la bomba en sí misma, entre otros, evitando fugas en el sistema
y transportando el fluido a lo largo del mismo. La cavitación y demás propiedades se calculan aquí
teniendo en cuenta el diámetro de tuberías, las propiedades y la velocidad del fluido. En el libro
Mecánica de Fluidos de Pearson [9] se encuentran todos los principios de la hidráulica necesario
para los cálculos requeridos que hasta el momento se han mencionado, sin embargo, un punto clave
que no hace parte de [9] es la importancia de la transferencia de calor que se presenta en el fluido,
lo que repercute en la necesidad de extraer la energía del aceite manteniéndolo a una temperatura
óptima de trabajo, evitando algún sobrecalentamiento que cause problemas en el dinamómetro.
Tranferencia de calor y masa: un enfoque práctico de Manus Cengel [23], sería el libro indicado
donde se obtendrán las fórmulas necesarias para determinar si el dinamómetro requerirá de un
intercambiador de calor bajo la premisa de que experimentalmente, se ha visto que en los sistemas
de manejo de fluidos la potencia generada se transforma en calor por medio del aumento de la
temperatura del fluido, en un rango de 20 a 25 %.
Luego de calcular todo lo necesario, se procederá a la selección de los elementos hidráulicos. Así
pues, se recomienda la asesoría especialista en cada rama que este implícita en los dispositivos que
componen el circuito hidráulico, por ejemplo, filtros, válvulas direcciones, sistemas de
enfriamiento, etc. Para el caso particular, se discutió de manera ingenieril con diferentes
proveedores para seleccionar el material adecuado que cumpliese con las funciones y
requerimientos necesarios, obteniendo los recursos necesarios para un dinamómetro hidráulico
3.3. DISEÑO Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS MECÁNICOS.
Existe la incertidumbre de transmitir la potencia generada por el motor hasta el dinamómetro,
específicamente, la bomba hidráulica. Si bien, se podría pensar en conectar directamente el
elemento motriz y el conducido, pero el problema se remite a las condiciones de operación de cada
sistema. De un lado tenemos que los motores eléctricos de índole automotriz pueden llegar a
revoluciones superiores a las 8000 RPM [24] y, por el diseño para aplicaciones comunes, una
bomba hidráulica por mucho llegaría a 3000 RPM [25]. Entonces, se requiere de un sistema motriz
34
capaz de reducir, por algún tipo de relación mecánica, la velocidad angular para que no existan
problemas en el sistema.
Por otra parte, como se verá en capítulos futuros del presente texto, la medición de las propiedades
mecánicas del motor se realiza con un equipo de alto rendimiento cuya celda de carga [26], que
hace las veces de torquímetro, se compone de un par de bridas a cada lado de la celda, lo cual deja
entrever la necesidad de conectar y transmitir la potencia en algún punto por medio de elementos
mecánicos como bridas, pernos, conexiones flexibles, según sea pertinente.
3.4. DISEÑO ESTRUCTURAL Y DINÁMICO DEL BANCO DE
PRUEBAS.
Los soportes estructurales que constituirán el apoyo de los elementos mecánicos de creación y
transmisión de potencia deben ser calculados con base a la disposición física de los mismos
presentando un hipotético bloqueo de los ejes de transmisión tanto del motor como de la caja de
velocidades. El bloqueo generará un torque que se transmite hasta las sujeciones que tengan los
elementos mecánicos sobre su estructura (Ver Figura 3.3).
Figura 3.3. Fuerzas resultantes en las sujeciones
35
Hypermesh es el software seleccionado para realizar las simulaciones por el método de elementos
finitos aplicado a un análisis estructural estático, por tanto, se hará uso del analizador y
solucionador moderno para estructuras llamado Optistruct, uno de los más usados a nivel mundial
para el propósito particular de este inciso. La Figura 3.4 muestra un pequeño resumen de los pasos
a seguir para la simulación, desde la concepción del modelo CAD, teniendo en cuenta que se
realizará una simulación con una estructura tipo viga, pasando por el preprocesamiento de la malla,
la determinación de los grados de libertad de las restricciones (SPC por sus siglas en inglés: System
Constraint) y la implementación de las fuerzas externas sobre la estructura.
Así mismo se realizó un análisis de los tres primeros modos normales de vibración para determinar
si las frecuencias a las que ocurren dichos modos no provocarían alguna resonancia en el sistema
de soportes disponibles en el proyecto considerando el rango de velocidades para las pruebas a
ejecutar.
Un modo normal de falla consiste en un patrón de movimiento de cualquier elemento o partícula
con masa que se caracteriza por tener una frecuencia coincidente con una de las tantas frecuencias
naturales del elemento en consideración por lo que son importantes debido a la directa relación con
el concepto de resonancia, donde una pequeña perturbación oscilante con frecuencia igual a alguna
de estas frecuencias naturales (modos normales) causaría una oscilación resultante con amplitud
indeterminada (tiende al infinito). La cantidad de modos normales con las que se cuenta dependen
de los grados de libertad del sistema analizado, es decir, en un soporte, como los que se analizan
en este trabajo, tiene infinitos modos de falla, pero, analizar sus primeros tres modos normales []
depende exclusivamente de la capacidad y cantidad de transformación de energía potencial a
cinética que se refleja en la amplitud del movimiento, es decir, en el primer modo la mayoría de la
masa que contiene el cuerpo se mueve en la misma frecuencia y fase, en su segunda, normalmente
el desfase de masas en mucho mayor y así sucesivamente, lo que conlleva a un deterioro
significativo de la transformación de energía (amplitud de la resonancia) llegando a ser
despreciable para estructuras mecánicas como las de este proyecto.
36
Figura 3.4. Proceso de diseño del banco de pruebas
3.5. CIRCUITO ELECTRÓNICO Y DE POTENCIA.
Los motores, de los cuales el dinamómetro dispondrá, para ser evaluados en todo su rango de
velocidad, necesitan ser controlados con exactitud y eficacia para tener una veracidad en las
pruebas y el ejecutante de estas no tenga ningún problema de variabilidad, además, del ahorro
energético de la fuente de alimentación. Es por esto, que se usará un controlador Curtis 1238e-
7621 96V 650 AMP (ver especificaciones en [27], ver Figura 3.5) el cual tiene la capacidad de leer
las revoluciones del motor por medio de sensores tipo Hall [28], además, integra una tarjeta que
contiene todas las entradas y salidas que corresponden al tablero de control de velocidad,
encendido, temperatura del devanado, etc.
37
Figura 3.5. Controlador programable para motores
El alcance en este punto irá encaminado al cableado de la fuente de alimentación al controlador y
de este al motor con todas sus terminales que permitan el control de las revoluciones del motor,
configuración o programación del controlador y la puesta en marcha de este.
3.6. CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN
El Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (TEC) en Toluca, será el lugar
donde estará ubicado el centro de pruebas para motores eléctricos con enfoque en vehículos
eléctricos. Toda la construcción y montaje se ha realizado allí mismo con el equipo metalmecánico
e industrial, ubicado en los laboratorios de mecatrónica automotriz. Entre las máquinas usadas
están el Centro de Maquinado DMU 60 MonoBlock de la marca Deckel Maho (Figura 3.6) y la
Electroerosionadora por hilo VZ300L marca Sodick.
Figura 3.6. Centro de Maquinado DMU 60 MonoBlock
38
Por su parte, dispositivos de corte por plasma, cierras cinta o herramientas manuales se usaron para
el corte de toda la perfilería, láminas o placas metálicas, además, fueron puestos en práctica las
uniones por soldadura de tipo MIG (Gas inerte de metal) por sus siglas en inglés y por SMAW
(Soldadura por arco de metal revestido) cuyo diagrama representativo de comparación se puede
observar en la Figura 3.7.
Figura 3.7. (a) Soldadura MIG. (b) Soldadura SMAW
Una parte importante del dinamómetro será el sofisticado sistema de adquisición de datos del cual
se pueden obtener tanto mediciones mecánicas de torque y potencia al eje del motor como eléctricas
de corriente y potencia eléctrica de consumo, con la posibilidad de post procesar los datos según
las necesidades del usuario.
Figura 3.8. Equipo de adquisición HBM. (a) Interfaz y tarjeta de adquisición. (b) Transductor de torque y tacómetro
La Figura 3.8 muestra el equipo de adquisición de la marca HBM, en donde la interfaz de usuario
(a) y el torquímetro (con tacómetro integrado) son los elementos relevantes para la obtención de
los datos requeridos.
39
Se sabe por experiencia que, a diferencia de los motores a combustión, aquellos eléctricamente
energizados disponen de una cantidad de torque elevado en sus primeras revoluciones, en
comparación con su valor a lo largo de su rango de velocidades disponibles. Para verificar este
comportamiento mecánico, algunos proveedores de motores para propulsión generan gráficas en
las que se generan curvas de las variables mecánicas y eléctricas del motor, las cuales serán
oportunas para la realización de una simulación donde se tratará de explicar y ejemplificar como
se van a llevar a cabo las pruebas, observando la posible respuesta tanto del motor como del sistema
de carga, es decir, el dinamómetro a diseñar y construir. La simulación del dinamómetro se ha
programado en Matlab, usando las ecuaciones que relacionan físicamente el dinamómetro,
teniendo en cuenta las gráficas de conducta de sus elementos, con la posible respuesta del motor,
empleando las gráficas proporcionadas por el proveedor para un motor en particular (Figura 3.9).
Figura 3.9. Interfaz de usuario para la simulación del dinamómetro. Ejecutado en Matlab
Para validar el dinamómetro y argumentar que la simulación realizada es acorde al comportamiento
real del sistema, se ha diseñado una metodología para la ejecución de pruebas, utilizando como
base lo planteado en la norma americana IEEE Std 112 del 2017, en donde uno de sus apartados
menciona algunos parámetros esenciales para la obtención de las curvas del rendimiento de
cualquier motor eléctrico que cumpla con las pautas planteadas por esta misma norma.
40
4. DISEÑO DEL DINAMÓMETRO PROPUESTO.
En este capítulo se presentarán los cálculos pertinentes para la obtención de las partes mecánicas,
hidráulicas y de control que constituyen el banco de pruebas para motores eléctricos. Aquí se
expondrán las ecuaciones matemáticas que representen el comportamiento estático y dinámico de
los elementos de tracción críticos, además del cálculo de la bomba hidráulica recomendada junto
con la demostración de los resultados de algunas simulaciones estáticas de las bases, los circuitos
de control y energización del dispositivo motriz, como lo es, cualquier motor eléctrico a evaluar y
analizar, entre otros elementos.
4.1. SELECCIÓN DE DIAGRAMAS PROPUESTOS.
La percepción que se tiene frente a la ingeniería implementada en un problema como el existente
conlleva a tener diferentes propuestas de desarrollo que, según especificaciones, alcances o
limitaciones, concluye en la selección de una de tantas alternativas. En breve se explicarán las dos
propuestas planteadas: una tomada de la literatura de investigación y la otra, una conceptualización
propia del autor.
4.1.1. CIRCUITO HIDRÁULICO 1.
Las máquinas bajo prueba (MUT por sus siglas en ingles machine under test) que no son más que
los motores eléctricos o gasolina que se deseen probar, dependiendo la aplicación, es decir, si es
un vehículo con motor a combustión, hibrido o eléctrico en su totalidad pueden tener infinidad de
41
diseños para sistemas que permiten su testeo y caracterización, dependiendo de la aplicación y
alcances formulados. En la Figura 4.1 se encuentra a detalle el circuito propuesto en [15], el cual
se propone debido al cumplimiento de requisitos funcionales que tiene respecto a los objetivos de
la tesis presente.
En su estado pasivo (la vista mostrada en la Figura 4.1) el fluido es extraído a baja presión por la
bomba/motor de doble sentido creando la carga sobre el MUT del circuito referenciado por la
válvula reguladora de presión, luego llegará a la válvula proporcional o reguladora de caudal,
descendiendo la presión para pasar por el intercambiador de calor, el filtro de retorno y volver al
tanque de suministro. Todo el proceso se repite durante el estado pasivo. En el estado activo, la
válvula de control conmuta y la bomba hidráulica operada por un motor alterno (un MUT de apoyo
accionado de eléctricamente), permite un aumento de presión en el sistema hasta llegar a la
bomba/motor principal, haciendo que este trabaje menos, simulando una ruptura de regeneración,
funcionamiento básico motriz de un vehículo híbrido. Luego, llegará a la válvula reguladora de
caudal creando una caída de presión para finalizar su paso por el tratamiento de retorno hasta el
tanque.
Aunque tiene la ventaja de ser un diseño cuyo sistema es pasivo y activo, hechos principalmente
para testear unidades motrices de vehículos híbridos, no es preciso para esta tesis llegar a este
punto, ya que las potencias independientes de cada motor en estos vehículos son más bajas que el
de uno completamente eléctrico, además, el gasto en este sistema es mayor, debido al uso de una
bomba/motor de doble sentido, lo que aumenta significativamente el precio del proyecto.
Sin embargo, es de utilidad entender el funcionamiento de este tipo de unidades hidráulicas por el
aporte ingenieril y de diseño; adicionalmente, abren un camino a la consolidación del diseño
conceptual requerido.
42
Figura 4.1. Circuito hidráulico Opción 1
4.1.2. CIRCUITO HIDRÁULICO 2.
En la Figura 4.2 se observa el diagrama del circuito hidráulico propuesto por el autor. Un detalle
crucial para observar es el cambio de uno de los dispositivos que permiten el aumento de presión
en el sistema, respecto al circuito propuesto en el inciso anterior, creando una carga sobre el motor
eléctrico. En esencia, se puede observar que el dispositivo que crea el obstáculo de paso para el
fluido es una válvula de vías, dos posiciones (Válvula 2/2) accionada de cualquier forma,
asegurando mantener una presión constante a la salida de la bomba, lo cual es más difícil de realizar
con una reguladora de caudal. Adicionalmente, la válvula reguladora de presión proporcional es
quizá el elemento más importante en esta propuesta, ya que la tecnología que maneja permite
mantener una presión en un rango infinito de valores sin importar la capacidad del motor eléctrico,
ya que permite tener una fuga a tanque que evita sobrecalentamiento en el motor, en tal caso de
que no se logre la presión tarada previamente. Se dará un poco más detalle de esta válvula más
adelante. En general, los demás elementos son iguales para cada una de las propuestas presentadas.
43
Figura 4.2. Circuito hidráulico Opción 2
En conclusión, teniendo en cuenta la importancia de mantener una presión invariable en el sistema
para efectos de resultados verídicos, complementando con lo establecido en [15] y debido al mayor
costo que implica usar un motor hidráulico para diseñar un mecanismo que permita un
dinamómetro en estado pasivo y activo teniendo en cuenta como objetivo único, el hecho de evaluar
motores en estado pasivo, se decide seleccionar la opción 2 como la indicada.
4.2. DISEÑO Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS HIDRÁULICOS.
El presente apartado evidenciará los cálculos ejecutados y a su vez, la selección de algunos de los
dispositivos hidráulicos de relevancia. Como referencia, se toma el listado generado por la
selección del diagrama que representa la idea del proyecto, realizado en el inciso inmediatamente
anterior. Cabe resaltar que algunos dispositivos seleccionados se ajustarán, dependiendo de lo
calculado, a lo ofertado en el mercado concerniente a los dispositivos hidráulicos.
44
4.2.1. BOMBA HIDRÁULICA.
Una bomba hidráulica se encarga de transformar la energía mecánica de entrada en energía
hidráulica, la cual se identifica por el flujo del fluido viscoso (normalmente algún tipo de aceite) y
la presión que este genera sobre el sistema o aplicación llevado a cabo. Se denomina Bomba de
Desplazamiento Positivo aquella que guía al fluido en su trayectoria conteniéndolo en un pequeño
espacio reducido por el elemento impulsor, el cual, puede ser un aspa, engrane, embolo, entre otros.
A su vez estas se pueden clasificar como bombas de desplazamiento fijo y variable. Por su parte,
el fijo se define gracias a que el flujo volumétrico producido en este tipo de bomba es proporcional
a las revoluciones de giro que tenga en su momento, por su parte, las de desplazamiento fijo puede
variar su tasa de flujo por revolución puede ser cambiada mientras la bomba se mantenga en
operación.
Figura 4.3. Bomba de engranajes
Una de las bombas de desplazamiento fijo más común es la bomba de engranes (Figura 4.3) [21],
la cual emplea el encaje existente con la carcasa y entre dientes para succionar, presionar y enviar
el fluido con cierta velocidad hacia la salida de la bomba, donde se aprovecha la potencia absorbida
en la ejecución de un actuador o, como en el caso particular, crear una presión dentro de las tuberías
causando una carga sobre el motor conectado al eje de entrada de la bomba hidráulica.
Hay ecuaciones que rigen las condiciones de desempeño de las bombas hidráulicas. Una de ellas
es la ecuación general de potencia hidráulica (3) [30], la cual es de utilidad para dimensionar el
45
tamaño de la bomba y de esta manera, tener los datos suficientes para seleccionar la bomba
requerida:
𝑃 =𝑄 ∗ ∆𝑃
1714.3 (𝐸𝑐. 3)
𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒:
𝑃 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 ℎ𝑖𝑑𝑟á𝑢𝑙𝑖𝑐𝑎 𝑒𝑛 𝐻𝑃 (𝐶𝑎𝑏𝑎𝑙𝑙𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎)
𝑄 𝑒𝑠 𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝐺𝑃𝑀 (𝐺𝑎𝑙𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜)
∆𝑃 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑚𝑎𝑛𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎
Tabla 4.1. Caudal vs Presión Bomba teórica de 100 HP
Teniendo en cuenta el valor de 100 HP como la potencia a disipar en el dinamómetro hidráulico,
se realiza una tabla (Tabla 4.1) para determinar diferentes rangos de trabajo teórico de la bomba,
los cuales serán de utilidad para seleccionar aquella que cumpla con el rango comercial existente.
Se verá más adelante, en el inciso de selección de equipos, la importancia de los valores que se han
señalado en color gris en la tabla anterior. Dicha selección dependerá de la relación volumétrica
por revolución, las revoluciones por minuto máximas de diseño y la presión de operación normal
e intermitente de la bomba hidráulica.
Figura 4.4. Vista externa de una bomba de engranajes. Referencia: Parker Hannifin
Caudal (GPM) 65.9346 61.225 57.1433 53.5719 50.4206 47.6194 45.1132 42.8575 40.8167
Presión (PSI) 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 4200
46
4.2.2. INTERCAMBIADOR DE CALOR
De los conceptos básicos de la hidráulica y la termodinámica se sabe que un fluido incompresible,
al ser sometido a presiones por encima de la atmosférica, empieza a aumentar su temperatura
debido a la variación de la energía interna. Por otra parte, el contacto superficial entre las paredes
de las tuberías y el aceite generan una energía por fricción que va a transformarse en calor y
posteriormente, el aumento de la temperatura del fluido, considerando la incidencia proporcional
que existe entre la velocidad del fluido y la tasa de crecimiento de la temperatura de este.
Ahora, el aceite al ser un líquido viscoso tiene como característica la disminución de su propiedad
viscosa a medida que la temperatura interna aumente, afectando el comportamiento en cualquier
sistema hidráulico. Normalmente los distribuidores de aceites dan un rango de trabajo óptimo de
los aceites, donde, si se sobrepasa su valor máximo, existe la necesidad de usar un intercambiador
para extraer el calor del aceite y así, asegurar que trabaje dentro del rango especificado.
La termodinámica y la transferencia de calor son ramas o ciencias ingenieriles que permiten
analizar y ratificar matemáticamente si es necesario implementar un intercambiador de calor. Una
consideración esencial ratificada experimentalmente, es considerar que el 25% de la potencia total
del sistema se va por calor en el fluido [16] y de esta manera determinar en qué momento, a lo
largo del tiempo, se sobrepasa el límite recomendado de temperatura.
Figura 4.5. Masa de control del aceite en el recipiente
En el Anexo A se encuentra el procedimiento de cálculo referente a la función de la temperatura
del aceite en función del tiempo, con las propiedades térmicas de algunas variables como el
coeficiente de transferencia convectiva y calor específico del aceite, temperatura ambiente,
47
volumen total de aceite, etc. La Figura 4.5 plantea el intercambio de temperatura en un volumen
de control determinado (volumen total de aceite), estableciendo la tasa de calor de entrada por lo
ya predicho, con una cantidad de 19 Kw. La ecuación (4) [16] se gráfica en función del tiempo
(Figura 4.6) para visualizar el tiempo cuando alcance la temperatura límite recomendada por el
proveedor. En este caso, al ser de 60 °C el tope para tener en cuenta, se ve que después de 5 minutos
aproximadamente, lo que deja entrever que es estrictamente necesario un intercambiador de calor.
𝑇𝑎𝑐𝑒(𝑡) = 20 + (512.2 ∗ (1 − (𝑒−
𝑡446.65 𝑚𝑖𝑛))) (𝐸𝑐. 4)
Figura 4.6. Demostración gráfica Ecuación (4)
Adicionalmente, el Anexo B demuestra la imposibilidad de extraer el calor por conducción y
convención naturales, es decir, teniendo en cuenta la conductividad del acero y la convección del
aire libre [15]. Así entonces, se busca un intercambiador capaz de suplir las condiciones de
extracción suficientes para mantener la temperatura estable. Se discutirá más delante de las
características respectivas del intercambiador suministrado por el proveedor.
48
4.2.3. SELECCIÓN DE EQUIPOS.
Hasta este punto del escrito, se ha garantizado la necesidad de ciertos implementos hidráulicos que
satisfagan la creación segura o controlada de presión en el sistema. En el mercado actual existen
diferentes marcas empresariales y referencias de equipos, los cuales poseen características
similares que pueden contribuir con la tarea específica indagada o calculada. En este capítulo se
rendirá cuentas del por qué se ha de escoger cierta unidad sobre otras, bajo algunas exigencias para
tener en cuenta a cada momento como lo son, la presión máxima de la bomba, su flujo, etc.
4.2.3.1.Selección de bomba.
Figura 4.7. Datos Comportamiento de Bombas PGP365. Fuente: Parker
Se parte del hecho claro que la bomba debe superar la potencia máxima del motor, es decir, 100
HP. Si observamos el catálogo que nos ofrece la marca de diseño y construcción de equipos
hidráulicos Parker Hannifin, se puede ver que la única referencia útil son las bombas PGP365
(Figura 4.7), específicamente aquella que posee una potencia de diseño de 147 HP, la cual es
seleccionada por una cuestión meramente de cumplimiento frente a la potencia máxima del motor
49
eléctrico y disposición del distribuidor. Además, la información proporcionada en la Figura 4.8
acerca de los engranes y contemplar el uso de un eje de entrada chaveteado (según la norma es del
tipo SAE C), ayuda en parte a construir la referencia de la bomba.
Figura 4.8. Máximo torque y tipo del eje de entrada. Fuente: Parker
Por último, solo es necesario ultimar detalles como el tamaño y tipo de puertos, el sentido de giro,
si el equipo es una bomba o motor y demás datos, se genera el código o referencia, el cual para el
caso particular es PGP365A242NFAB17-11 (Figura 4.9). Para mayores detalles, se puede
consultar el catálogo empleado o ir a la referencia [25]
50
Figura 4.9. Generación de código Bomba hidráulica Parker. Fuente: Parker
4.2.3.2.Intercambiador de calor.
En capítulos anteriores se discutió acerca de la importancia de tener un intercambiador de calor
capaz de mantener en condiciones óptimas el aceite hidráulico de operación, sin importar el tiempo,
carga o variaciones presentadas a lo largo de cualquier prueba. Se acude nuevamente a un catálogo
de la marca Parker para observar los métodos de selección de equipos. Los intercambiadores que
se visualizan aquí son de aire, por tanto, usan un ventilador como extractor de calor y el mecanismo
de accionamiento puede ser un motor eléctrico o hidráulico, según la preferencia. Se ha elegido el
tipo eléctrico (referencia ULAC) para que el trabajo del intercambiador se independice de las líneas
hidráulicas, aparte de presentar una ventaja económica respecto a su contraparte de la misma
capacidad.
51
Figura 4.10. Comportamiento de intercambiadores. Tasa de transferencia de calor (Btu/hr/°F) vs Flujo Volumétrico
(GPM)
Las opciones que nos ofrece el catálogo [31] muestran el comportamiento o desempeño de
diferentes intercambiadores. Se identifica un aumento de la capacidad de transferencia de calor
proporcional al flujo volumétrico o capacidad de caudal de cada diseño ofrecido por la empresa. Si
se acude al capítulo anterior, se sabe que la capacidad volumétrica máxima de la bomba
seleccionada es de 62.8 GPM (Galones por minuto), concluyendo que cualquier opción es viable.
Ahora bien, el catálogo pide determinar la capacidad calorífica teórica a expulsar en función de la
tasa de calor por cada grado Fahrenheit de diferencia. Para determinar este valor, simplemente se
dispone del calor máximo teórico que puede recibir el aceite, es decir, como se ha calculado en el
Anexo A, un 25% de los 100 caballos de potencia de referencia. La tasa de calor por grado
Fahrenheit ha de ser:
𝑄𝑒𝑛𝑡̇ = 18643 [𝐽
𝑠] ∗ [
3600 𝑠𝑒𝑔
1 ℎ𝑟] ∗ [
1 𝐵𝑇𝑈
1055 𝐽] = 63616 [
𝐵𝑡𝑢
ℎ𝑟] (𝐸𝑐. 5)
𝑇1 = 20 [°𝐶] = 68 [°𝐹]
𝑇2 = 70 [°𝐶] = 158 [°𝐹]
∆𝑇 = 158 − 68 = 90 [°𝐹]
52
𝐻𝐷 = 𝑄𝑒𝑛𝑡̇
∆𝑇= 63616
90= 707 [
𝐵𝑡𝑢ℎ𝑟°𝐹 ] (𝐸𝑐. 6)
𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒:
𝑄𝑒𝑛𝑡̇ ∶ 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒
𝑇1: 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
𝑇2: 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑟𝑒𝑐𝑜𝑚𝑒𝑛𝑑𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒
∆𝑇: 𝐶𝑎𝑚𝑏𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎 𝑦 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟
𝐻𝐷: 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑐𝑖𝑜
Si llevamos el dato de flujo y la relación calculada a la Figura 4.10, notamos que cualquiera de las
referencias es útil, aunque es claro que, por conveniencia económica y de espacio se recomienda
tomar la unidad más pequeña, entonces, ULAC – 033D es seleccionada. Para culminar el llenado
de la etiqueta que identifique de manera particular y concisa el equipamiento deseado, se puede ver
el Anexo C. Allí se ha de mostrar la forma de selección y los datos por los cuales se han optado.
ULAC – 007B -M000SW es la referencia para considerar.
Figura 4.11. Intercambiador ULAC marca Parker. Fuente: Parker Hannifin
53
4.2.3.3.Filtros de entrada y de salida.
Evitar la contaminación del aceite y así no generar daños en la línea hidráulica al igual que los
dispositivos importantes, como lo es la bomba, es la principal tarea de un filtro en estos medios. Se
recomiendan que estén a la entrada y salida del sistema ya que, por un parte, es importante
descontaminar lo que pueda haber en el entorno dentro del tanque y, por otro lado, las partículas
presentes en tuberías, bomba, válvulas, etc., deben ser, de igual manera, controladas.
Tabla 4.2. Filtros de entrada según conexión tipo NPT
Innumerables opciones existen en el mercado. El proveedor puede ofrecer lo que el mercado usa
actualmente y dar una vía más despejada para una buena selección. Si se mira detalladamente el
inventario presentado en [32] de la marca Parker, se puede ver las diferentes opciones viables. Uno
de los datos a consideración para optar por algún filtro de entrada es el flujo volumétrico máximo
de bomba (Figura 4.12) y claro, la dimensión de la tubería de entrada que, como ya se ha
mencionado, es de 1-1/2” del tipo NPT (Tabla 4.2). Así entonces, el número de parte a seleccionar
es la 936549. Para más información sobre estos filtros, se puede acudir al catálogo correspondiente
[32].
Figura 4.12. Flujo vs Perdida de presión Filtros de succión según conexión NPT
54
Figura 4.13. Filtro de succión magnético
Así mismo, se han usado los datos para la selección del filtro de salida, sobre todo, poniendo
especial atención al flujo volumétrico.
Figura 4.14. Perdida de presión vs Flujo volumétrico. Filtro de salida de la serie 40CN
55
La Figura 4.14 presenta el comportamiento de la perdida de presión respecto al flujo volumétrico
que pueden alcanzar los filtros de la serie 40CN, teniendo en cuenta que se escogen estos ya que
los del tipo 15CN no alcanzan el flujo requerido y los 80CN estarían sobredimensionados. En tanto
que, con la ayuda del proveedor, se ha de tomar la decisión de escoger la longitud total del filtro
como 10Q. Finalmente, el número de serie del equipo elegido sería el 40CN110QEBM2KS244, el
cual se puede ver su selección a detalle en [33]
Figura 4.15. Filtro de salida de la serie CN40
4.2.3.4.Válvulas.
Tanto para los dispositivos ya mencionados, como para las válvulas, el método de selección es muy
similar. Básicamente se analizan las opciones que ofrezca el proveedor en su catálogo bajo los
requerimientos solicitados, donde, ocasionalmente no pasan de los datos de flujo volumétrico y
presión máximas del sistema o de la bomba en sí misma.
En el Anexo D se pueden visualizar los métodos de selección de las válvulas de alivio proporcional,
seguridad y de dos vías, para obtener la referencia y realizar la respectiva compra del equipo. Allí
se podrá observar la parte del catálogo donde se extrae la referencia y una imagen del dispositivo
a adquirir.
56
Figura 4.16. Válvula de alivio proporcional Parker
Tal vez, junto a la bomba hidráulica, la válvula proporcional sea de los módulos más relevantes en
el circuito hidráulico del dinamómetro porque es el dispositivo adecuado para poder conseguir,
sobre un rango establecido, una infinidad de valores de presión cuyo consecuente directo será la
exigencia sobre el motor eléctrico a evaluar. Entre otras características, posee un puerto de drenaje
a tanque interno lo cual evitará que el sistema colapse por si se dé el caso de que el motor no logre
alcanzar el torque necesario exigido por la presión tarada en la válvula de alivio proporcional. Su
referencia de pedido sería R6V06595P0PN10VB1. Para más información, acudir a la referencia
[34].
4.2.3.5.Otros componentes.
Unidades más genéricas complementan a detalle cada una de las partes de las cuales se compone
el dinamómetro. Codos, Uniones en T, Tubería, indiciadores, etc., son comunes en cualquier
sistema hidráulico y la preferencia de unos u otros son consecuencia tanto de los equipos de los
cuales ya se han hecho mención, además de las medidas o adaptaciones necesarias y óptimas. Para
no ir más allá de lo ya visto, el Anexo R presenta una tabla con los componentes requeridos según
la distribución de todos los módulos sobre el tanque y su referencia de compra.
57
4.2.4. TUBERÍAS.
Figura 4.17. Presión interna de una tubería
Las tuberías de un sistema hidráulico deben tener la fiabilidad de soportar la presión interna que
ocurre dentro de ellas para evitar algún colapso en el sistema que pueda atentar con alguna persona,
elemento físico o cercano o con el mismo equipo que conforma. Para ello, es necesario acudir a la
teoría de colapso por cedencia de las tuberías, la cual plantea una ecuación para hallar la presión
interna máxima que resistiría una tubería de diámetro, espesor y material específicos.
𝑃𝑐 = 2 ∗ 𝜎𝑦 ∗ (
𝐷𝑡 − 1
(𝐷𝑡 )2) (𝐸𝑐. 7)
Las tuberías para elegir deben acondicionarse a las especificaciones de entrada y salida que posee
la bomba seleccionada, por lo que es necesario identificar el tamaño o diámetro de los puertos.
Según las características de la bomba, se observa una entrada de bomba de 1-1/4” y de 1-1/2” de
salida, por lo que serán consideradas estas medidas como el diámetro exterior de la tubería y se
hallará la presión máxima de colapso o cedencia (usando la ecuación 7) teniendo en cuenta que las
tuberías son Cédula 40 y el material del cual se componen es acero al carbono AISI 1020
𝑃𝑐1 = 2 ∗ 𝜎𝑦 ∗ (
𝐷1𝑡1− 1
(𝐷1𝑡1)2) = 2 ∗ 370 ∗ (
423.5
− 1
(423.5)2) = 56.53 [𝑀𝑃𝑎] = 8200 [𝑃𝑆𝐼] (𝐸𝑐. 8)
58
𝑃𝑐2 = 2 ∗ 𝜎𝑦 ∗ (
𝐷2𝑡2− 1
(𝐷2𝑡2)2) = 2 ∗ 370 ∗ (
48.33.68 − 1
(48.33.68)
2) = 52.1 [𝑀𝑃𝑎] = 7500 [𝑃𝑆𝐼] (𝐸𝑐. 9)
𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒:
𝑃𝑐1: 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑙𝑎𝑝𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑒 1 − 1/4"
𝑃𝑐2: 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑙𝑎𝑝𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎 𝑑𝑒 1 − 1/2"
𝜎𝑦: 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝐴𝐼𝑆𝐼 1020
𝐷1: 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑒 1 − 1/4"
𝐷2: 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑒 1 − 1/2"
𝑡1: 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑒 1 − 1/4"
𝑡2: 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑒 1 − 1/2"
Comparando estos valores con la presión máxima de la bomba que es de 4000 PSI, podemos
concluir que ninguna de las dos tuberías debería tener algún problema de colapso por cedencia, la
teoría más conservativa que existe referente a la resistencia de la presión interna para estos
elementos [35].
4.2.5. TANQUE.
Este elemento puede tener varias funcionalidades dentro de un circuito hidráulico. Una de las más
importantes, por no afirmar que es la principal, es su utilidad como reservorio del líquido o aceite
que recorrerá todo el sistema.
Adicionalmente, un tanque permite que todo el aire atrapado dentro del fluido pueda salir por su
parte superior y las partículas se sedimenten al fondo del recipiente, es decir, sirve de alguna
manera, como filtración y acondicionador de fluidos, aunque, normalmente se dispone de otros
elementos que se caracterizan por ejecutar funciones específicas acerca de estos tratamientos.
A nivel industrial existe una relación basada en consideraciones que relacionan el tanque y el
fluido, como la transferencia de calor, filtración de partículas, además del requisito de mantener a
todo momento fluido a lo largo de todo el equipo hidráulico y al mismo tiempo una reserva
59
suficiente en el tanque en sí mismo, que evite presencia alguna de vórtices en la succión o
cavitación. La relación es: [15]
𝑇𝑇(𝑙) = (2 − 3) ∗ 𝑄 (𝑙
𝑚𝑖𝑛) (𝐸𝑐. 10)
𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒:
𝑇𝑇 𝑒𝑠 𝑡𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑛 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠
𝑄 𝑒𝑠 𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 𝑒𝑛 𝐿𝑃𝑀 (𝐿𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜)
Así entonces, teniendo en cuenta que el valor del flujo volumétrico de la bomba es de 270 litros
por minuto como máximo, el volumen del tanque (volumen de fluido) debe estar entre los
siguientes valores:
𝑇𝑇(𝑙) = (2 − 3) ∗ 270 = 540 − 810 (𝑙) = 0.54 − 0.81 [𝑚3]
Posteriormente, a consideración del volumen calculado, se procedió a la fabricación del reservorio.
El material usado se basó en lámina de acero rolada en caliente Calibre 11 (3.048 mm de espesor)
cuyo dimensionamiento original es de 4 ft de ancho por 8 ft de largo. Los cortes fueron realizados
por plasma de manera manual y para unir todos los cortes se ha usado soldadura de tipo SMAW.
La Figura 4.18 muestra el resultado de final aclarando que toda la estructura fue reforzada en la
parte inferior por perfiles cuadrados de 1 in Calibre 18 y los soportes para la tapa superior se ha
utilizado un ángulo de 3/16 in de espesor por 1-1/2 in de ancho. Para más información, ver el Anexo
E donde se observa el plano a detalle del depósito.
Figura 4.18. Tanque hidráulico
60
4.3. DISEÑO Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS MECÁNICOS.
Enfatizando el esquema presentado en la Figura 4.19, se relata en este inciso el proceso de diseño
realizado para adecuar, calcular y fabricar los elementos necesarios para la conexión del tren de
potencia, además del sistema de medición de torque y velocidad angular de referencia T40B, cuya
información completa se encuentra en [26]. El Anexo J presenta el plano del torquímetro de doble
brida, información de importancia para el diseño de algunos elementos que se advertirán a
continuación y adicionalmente, se adjunta al Anexo K una vista explosionada de la sección de
acople entre el motor y el reductor de velocidad.
Figura 4.19. Vista lateral Elementos mecánicos
4.3.1. SISTEMA DE TRANSMISIÓN.
Muchas opciones se consideran para tener un sistema reductor capaz de transmitir una potencia de
hasta 100 HP y 10000 RPM. Mecanismos como poleas dentadas, piñón por cadena o coronas sin
fin no cubren requerimientos tan exigentes como el actual proyecto, además de ser costosos.
Analizando la aplicación, se sabe que la aplicación actual y principal de los motores eléctricos
Brushless son para fines automotrices donde es normal ver adaptaciones vehiculares que han
pasado de ser ordinarios, es decir, de gasolina a eléctricos y en su mayoría, adaptan el motor al tren
motriz, incluido el reductor de velocidad convencional [36].
61
Figura 4.20. Borg Warner T5 de Ford
Por tanto, por cuestiones económicas se puede acudir a un sistema de engranajes, específicamente
un reductor de velocidad de un vehículo, cuyo motor a gasolina tenga requerimientos similares a
los necesarios en este proyecto y de esta manera aumentar la practicidad, evitando algún tipo de
diseño y fabricación desde cero. Por fortuna, en el Tecnológico de Monterrey Sede en Toluca, se
encuentra una caja de 5 velocidades, que pertenecía a un Ford Mustang del año 1986. El reductor
es un Borg Warner T5 [37] fabricado por la empresa Ford, una de las cajas de velocidades más
cotizadas a nivel internacional en los años 90’s para vehículos deportivos, adquiriendo así la
veracidad necesaria para su instalación en el sistema de reducción de velocidad del dinamómetro.
Las características de las relaciones de engranajes se encuentran en la Tabla 4.3.
Tabla 4.3. Relaciones de velocidad Transmisión Borg Warner T5
4.3.2. BRIDAS DE AGARRE.
El torquímetro T40B fundamentalmente es una celda de carga que, según sea el modelo, permite
de igual manera o no, medir la velocidad angular del elemento al cual está conectado directamente.
Velocidad Relación
Primera 3.27:1
Segunda 1.98:1
Tercera 1.34:1
Cuarta 1:1
Quinta 0.68:1
Reversa 3:1
Tremec 5 Speed Relations
62
Debido a que la necesidad es caracterizar el comportamiento mecánico de un motor eléctrico,
entonces es necesario colocar esta celda lo más cerca posible del elemento motriz. Justamente si se
observa detenidamente la Figura 4.19, la cual es una vista lateral de este segmento del equipo de
medición identificada por la zona de marcación naranja, existen dos bridas de agarre y transmisión
de potencia. La primera (Brida I) conecta el motor con la celda, y la segunda (Brida II) la parte
posterior de la celda el sistema de reducción de velocidad. Los planos de cada brida de agarre se
encuentran en los Anexos L y M, respectivamente.
En la fase de fabricación, se dispone del Centro de Maquinado DMU 60 MonoBlock. Previo al
maquinado, es necesario diseñar el procedimiento generando un código asistido por computadora
trazado, ejecutado y procesado en la plataforma CAM (Manufactura asistida por computadora por
sus siglas en inglés) de SolidWorks. En el Anexo P se presenta una parte del código G para
maquinado de la Brida I y a su vez, una imagen del perfil de corte para la chaveta en la
electrosionadora [38], teniendo en cuenta la disposición de las herramientas en el laboratorio del
CIMA.
4.3.3. TORNILLOS DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA.
Teóricamente, este tipo de tornillo es el encargado de soportar y consecuentemente transmitir las
cargas de un sistema cualquiera. En el presente trabajo, estos tornillos serán los encargados de unir
las bridas de agarre con el torquímetro, por tanto, es importante calcular la capacidad que tienen
sin presentar alguna falla, en gran medida, por esfuerzos estáticos cortantes que al final de cuentas,
es el esfuerzo requerido para transmitir el par torsional.
Figura 4.21. Esfuerzos cortantes sobre un perno
63
Si se observa la Figura 4.21, se puede ver el comportamiento que tienen los tornillos en las uniones
bridadas cuando se requiere transmitir el torque necesario, creando un esfuerzo de cizalla o corte
sobre los tornillos. Basados en la teoría de esfuerzos de corte y suponiendo que la distribución es
equitativa en cada tornillo, se tiene que el esfuerzo por cizalla resultante para los tornillos de la
Brida I y Brida II, sería:
𝜏𝐼 = 4 ∗ 𝑇
𝑛 ∗ 𝑅 ∗ 𝑑12 ∗ 𝜋
(𝐸𝑐. 11)
𝜏𝐼 = 4 ∗ 720
4 ∗ 0.051 ∗ 0.0095252 ∗ 𝜋= 49.53 [𝑀𝑃𝑎]
𝜏𝐼𝐼 = 4 ∗ 𝑇
𝑛 ∗ 𝑅 ∗ 𝑑22 ∗ 𝜋
(𝐸𝑐. 12)
𝜏𝐼𝐼 = 4 ∗ 720
4 ∗ 0.051 ∗ 0.0158752 ∗ 𝜋= 18 [𝑀𝑃𝑎]
𝜏𝑑 =𝑆𝑦
2 ∗ 𝑁 (𝐸𝑐. 13)
𝜏𝑑 =724
2 ∗ 3= 120.67 [𝑀𝑃𝑎]
𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒:
𝜏𝐼: 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝐵𝑟𝑖𝑑𝑎 𝐼
𝜏𝐼𝐼: 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝐵𝑟𝑖𝑑𝑎 𝐼𝐼
𝜏𝑑: 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜
𝑆𝑦: 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛
𝑁:𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑟𝑒𝑐𝑜𝑚𝑒𝑛𝑑𝑎𝑑𝑜
𝑑1: 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑜𝑟𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜 𝐵𝑟𝑖𝑑𝑎 𝐼: 3
8 𝑖𝑛
𝑑2: 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑜𝑟𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜 𝐵𝑟𝑖𝑑𝑎 𝐼𝐼: 5
8 𝑖𝑛
En conclusión, se determina que los tornillos usados para sujetar las bridas a la celda de carga son
realmente suficientes para transmitir el torque generado por el motor eléctrico de diseño. Por lo
cual, los planos de los tornillos a usarse se encuentran en los Anexos Q y R.
64
4.3.4. CUÑAS.
Si bien es un componente sencillo de diseñar, es de vital importancia para el sistema tener en cuenta
sus dimensiones debido a la alta responsabilidad de este elemento para transmitir el par generado
por el motor. Observando la Figura 4.22, se puede probar los esfuerzos o modos potenciales de
falla que puede resistir la cuña debido a la transmisión del par torsional creando una fuerza sobre
la cara de la cuña. Normalmente son de dos tipos: por corte en la intersección entre el eje-cubo y
falla por compresión.
Figura 4.22. Fuerzas sobre una cuña.
En el probable caso de que el material de la cuña tenga mayor resistencia que el cubo o el eje, se
deben utilizar los esfuerzos de diseño del material menos resistente. En el caso estándar, es decir,
cuando el material de la cuña es menos resistente que el cubo o el eje, entonces las ecuaciones de
las teorías de falla por cortante o compresión son iguales [39], así pues, la longitud de la cuña será:
𝐿 = 4 ∗ 𝑇 ∗ 𝑁
𝐷 ∗𝑊 ∗ 𝑆𝑦 (𝐸𝑐. 14)
𝐿 = 4 ∗ 150 ∗ 3
28.575 ∗ 6.35 ∗ 670= 17.9 𝑚𝑚
𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒:
𝑇: 𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑜 𝑝𝑎𝑟 𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡𝑖𝑟1 [24]
𝑁:𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑆𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑟𝑒𝑐𝑜𝑚𝑒𝑛𝑑𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑢ñ𝑎𝑠: 3
1 Torque máximo de un motor de 100 HP a 4500 RPM
65
𝐷:𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒
𝑊:𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐ℎ𝑎𝑣𝑒𝑡𝑒𝑟𝑜
𝑆𝑦: 𝐿𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝐴𝑐𝑒𝑟𝑜 1018 [40]
𝐿: 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑢ñ𝑎
Por comodidad y decisión ingenieril, la longitud total de la cuña se ha dejado en 25.4 mm (1 in),
casi la misma longitud que posee el cubo de la Brida I. El plano respectivo de dicha cuña se
encuentra en el Anexo N.
𝐿2 = 4 ∗ 𝑇2 ∗ 𝑁
𝐷2 ∗ 𝑊2 ∗ 𝑆𝑦 (𝐸𝑐. 15)
𝐿2 = 4 ∗ 450 ∗ 3
31.75 ∗ 7.9 ∗ 670= 32.13 𝑚𝑚
𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒:
𝑇2:𝑀á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝑡𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑎 𝑙𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑖ó𝑛
𝑁:𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑆𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑
𝐷2: 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎
𝑊2: 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐ℎ𝑎𝑣𝑒𝑡𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎
𝑆𝑦: 𝐿𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝐴𝑐𝑒𝑟𝑜 1018
𝐿2: 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑢ñ𝑎
Según las dimensiones de la bomba, hay un espacio aproximado de 50 mm de longitud para el
largo de la chaveta, por lo que se decide dejarlo de un largo de 45 mm. El Anexo O muestra el
plano de esta cuña.
4.4. DISEÑO ESTRUCTURAL BANCOS DE PRUEBAS.
Según la configuración mecánica del dinamómetro desde la transmisión de potencia del motor
hasta la bomba, existirían dos estructuras principales que soportarían las cargas y vibraciones
presentes en el sistema. El presente capítulo se encarga de demostrar los pasos y datos esenciales
66
usados para la simulación de cargas ejecutadas en Hypermesh tanto para el banco donde se situará
el motor y la transmisión ejecutando el proceso de diseño opcional presentado en la Figura 3.4.
4.4.1. BANCO MOTOR.
Existe la necesidad de fabricar una plataforma que sirva como soporte del motor y demás elementos
necesarios para el funcionamiento de dicho motor, además de tener la funcionalidad de absorber
posibles cargas sobre la sujeción motor a base, tener un buen diseño contra los primeros modos
normales de vibración y permitir el ascenso o descenso del motor, permitiendo flexibilidad frente
a la variedad de tamaños que existen en los elementos motrices. La Figura 4.23 muestra el ensamble
de la plataforma compuesta de diferentes tipos de perfiles cuya lista completa de elementos y plano
de dimensiones generales se puede evidenciar en el Anexo F.
Figura 4.23. Vista isométrica del banco motor
Para realizar la ejecución o proceso de simulación de cargas estáticas, se debe comenzar calculando
dichas fuerzas que va a soportar la base y conocer los puntos de sujeción también llamados de
restricción (Single points constraints por sus siglas en inglés SPC). Para calcularlos se debe
observar la Figura 4.24 donde se representa el motor a prueba con sus respectivos datos dinámicos
(Tabla 4.4) y de potencia, además de las medidas que genera el efecto de palanca sobre los puntos
de sujeción.
67
Figura 4.24. Diagrama de fuerzas Banco motor. Fuente: Autor
Tabla 4.4. Datos del motor de referencia
Las consideraciones que se tienen en cuenta para encontrar el valor de la fuerza “F” se basan en el
hecho ideal de un atascamiento en la transmisión causando que el torque máximo del motor se
transmita directamente a los puntos de agarre, los cuales son 4 en total. Así pues:
𝑇 =𝑃𝑜𝑡
𝑅𝑃𝑀= 745702
1000∗ 1𝑁 ∗ 𝑚 ∗ 𝑚𝑖𝑛
𝑠 ∗ 𝑟𝑒𝑣∗ 60
𝑠
𝑚𝑖𝑛∗1
2𝜋
𝑟𝑒𝑣
𝑟𝑎𝑑= 712 [𝑁.𝑚] (𝐸𝑐. 16)
𝑅 = √𝑅𝑥2 + 𝑅𝑦2 = √0.152 + 0.152 ≅ 0.2121 [𝑚] (𝐸𝑐. 17)
2 A pesar de que el motor tenga menos potencia, el cálculo se realiza con el valor objetivo de 100 HP
Variable Cantidad Unidad
90 HP
4500 RPM
245 N.m
4000 RPM
Revoluciones
máximas10000 RPM
Tipo de motor
Peso 180 Lb
Voltaje de operación 144-170 V
Amperaje máximo 500 A
Torque máximo
(RPM)
Potencia máxima
(RPM)
AC de inducción
Motor de referencia
68
𝐹 =𝑇
4𝑅=
712
4 ∗ 0.2121≅ 839.22 [𝑁] (𝐸𝑐. 18)
𝐹𝑥 = 𝐹 ∗ sin 𝜃 ≅ 839.22 ∗ sin 45° ≅ 600 [𝑁] (𝐸𝑐. 19)
𝐹𝑦 = 𝐹 ∗ cos 𝜃 = 839.22 ∗ sin 45° ≅ 600 [𝑁] (𝐸𝑐. 20)
𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒:
𝑅𝑃𝑀:𝑅𝑒𝑣𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑠𝑒 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎 𝑡𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑜: 1000 𝑅𝑃𝑀
𝑃𝑜𝑡: 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜: 100 𝐻𝑃 𝑜 74570 𝑊
𝑇: 𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑎 𝑒𝑣𝑎𝑙𝑢𝑎𝑟
𝐹: 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑒𝑛 𝑢𝑛𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 4 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑗𝑒𝑐𝑖ó𝑛
𝐹𝑥: 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑥 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝐹
𝐹𝑦: 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑦 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝐹
𝑅:𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑑𝑒 𝑒𝑙 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 𝑎𝑙 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑗𝑒𝑐𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑒𝑙 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑜 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙
𝑅𝑥: 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑥 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑅
𝑅𝑦: 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑦 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑅
𝜃: 𝐴𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 𝑥 𝑦 𝑒𝑙 𝑣𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝐹
Seguido de este cálculo, empieza la incursión sobre la simulación por elementos finitos de la
estructura. Lo primero para tener en cuenta es el tipo de elemento que se usará en dicha simulación.
Por una parte, se encuentran todos aquellos perfiles cuya sección transversal es constante a lo largo
de todo el elemento, es decir, sus propiedades son más significantes o importantes en una de sus
dimensiones (en este caso a lo largo), que en las otras dos existentes, por tanto, dichas
características se adaptan más a un elemento tipo viga (mejor conocido como Beam en inglés). Sin
embargo, toda placa, lámina o solera se toma como elemento tipo armadura (Shell en inglés) ya
que una de sus dimensiones, explícitamente el espesor, es insignificante respecto a sus otras
dimensiones en cuanto a cargas, tensiones o deformaciones en dicha dirección. Por tanto, resulta
pertinente usar el mismo tipo de elemento, para evitar cualquier tipo de confusión. En el caso
particular, se adapta mejor el tipo de armadura, debido a la existencia de una gran placa que hace
parte de la estructura como se observa en la Figura 4.24.
69
Tabla 4.5. Datos de entrada preprocesamiento
Figura 4.25. Preprocesamiento Banco Motor. Fuente: Autor
Normalmente, el proceso de análisis MEF (Método de elementos finitos) computacional requiere
de tres pasos esenciales. En primer lugar, se realiza el preprocesamiento de la estructura a evaluar,
lo cual consiste en definir la geometría, generar la malla o partición en elementos más pequeños,
definir propiedades del sistema, condiciones de frontera, cargas en el sistema, etc. (Figura 4.25).
En segundo lugar, se encuentra el proceso de cálculo, llevado a cabo por la unidad de
procesamiento central (CPU por sus siglas en inglés), generando N ecuaciones con N incógnitas
resueltas una tras otra y dependientes de la entrada del paso anterior. Y, por último, se encuentra
el postprocesamiento donde encontraremos los valores obtenidos en los diferentes nodos de la
malla como lo son, esfuerzos, deformaciones y modos de vibración.
Variable Cantidad Unidad
Modulo de Young (E) 205000 MPa
Densidad (ρ) 7.87E-09 Ton/mm 3̂
Coeficiente de Poisson (ν) 0.3 -
Fuerza (F) 600 N
Masa (m) 60 Kg
Variables de entrada pre-procesamiento
70
Tabla 4.6. Resultados del postprocesamiento
Figura 4.26. Von Mises Banco Motor. Fuente: Autor
Uno de los valores de interés es el Esfuerzo de Von Mises Máximo, el cual es una de las tantas
teorías de fallo para estructuras que existen, para determinar el buen diseño de sistemas dúctiles.
Por tanto, el valor máximo de esta teoría se debe comparar con el esfuerzo de cedencia del material.
Aparte de que el esfuerzo de cedencia es casi el doble en su valor al Von Mises, lo cual garantiza
un buen diseño, se debe considerar la zona donde se presenta este valor. Como se observa en la
Figura 4.26, el detalle del soporte indica que existe una única superficie (la más mínima que puede
existir) en la cual se encuentra el valor máximo de esfuerzo, lo cual puede considerarse como un
Variable Valor Unidad
Esfuerzo Von Misses (Max) 99.12 MPa
Esfuerzo de cedencia 370 MPa
Primer modo de vibración 0.957 Hz
Primero de Flexión 57.42 RPM
Segundo modo de vibración 1.093 Hz
Primero de Torsión 65.58 RPM
Tercer modo de vibración 1.707 Hz
Segundo de Flexión 102.42 RPM
Cuarto modo de vibración 2.409 Hz
Segundo de Torsión 144.54 RPM
Quinto modo de vibración 4.854 Hz
Tercero de Torsión 291.24 RPM
Resultados del postprocesamiento
71
esfuerzo concentrado o un pequeño error en la convergencia del proceso de cálculo, sin embargo,
se puede concluir que no existe ningún inconveniente con las cargas presentes.
4.4.2. BANCO TRANSMISIÓN.
Como ya se ha mencionado, existe la necesidad de disponer de un aparato capaz de reducir las altas
velocidades de un motor eléctrico con enfoque automotriz, para conectarlo al simulador de carga,
es decir, el dinamómetro hidráulico. Adecuar la caja de velocidades a la altura del banco motor y
del tanque requiere el diseño de un bastidor con características esenciales como el soporte del peso,
la adecuación de la forma y la resistencia a las posibles cargas que transmita la caja hacia las
sujeciones del bastidor.
El resultado de esta necesidad se puede observar en la Figura 4.27. Allí se puede ver un diseño
básico teniendo en cuenta la curvatura en la parte inferior de la caja de velocidades, además, se
reconocen cuatro puntos de sujeción de la caja a la estructura, indispensables para el cálculo de las
fuerzas presentes. Para una información más detallada de las dimensiones, materiales y demás se
debe acudir al Anexo H.
Figura 4.27. Vista Isométrica Banco Transmisión
72
Debido a que el proceso, metodología o flujo de diseño es el mismo implementado anteriormente
para el banco motor, en el Anexo I se encuentra a detalle los valores usados para el
preprocesamiento, como se llegó a estos valores y los resultados obtenidos del cálculo ejecutado
por el software de simulación Optistruct (de Hypermesh).
4.5. CIRCUITO ELECTRONICO Y DE POTENCIA PARA MOTORES
ELECTRICOS.
Figura 4.28. Esquema físico del Circuito Electrónico de Potencia
A pesar de sus características eléctricas muy parecidas a la de un motor industrial, los motores con
fines automotrices tienen su propio método o sistema de manejo de energía. Normalmente se puede
observar en los vehículos eléctricos un esquema general y común en el circuito eléctrico y
electrónico de potencia. Así entonces, la extracción de energía para el funcionamiento del motor
comúnmente proviene de un conjunto de baterías de corriente directa y para su aprovechamiento
debe existir un dispositivo capaz de transformar la corriente directa en alterna, la cual se
suministrará directamente sobre las tres fases del motor. Dicho dispositivo tiene funciones que se
asemejan mucho a las de un variador de frecuencia común, aunque, en el caso específico, al ser
73
una tecnología diferente y manejar corrientes, temperaturas u otras variables con cambios abruptos,
presupone el uso de un módulo mucho más robusto y seguro llamado controlador. Para efectos del
dinamómetro diseñado, se hace uso del controlador marca Curtis cuya referencia es Curtis 1238e-
7621 96V 650 AMP.
El esquema físico de los componentes se puede observar en la Figura 4.28. El Tecnológico de
Monterrey en Toluca cuenta actualmente con una fuente de voltaje por simulación de carga y
descarga, la cual es usada para la ejecución de las pruebas, asegurando la condición de máxima
carga de las “baterías” a lo largo de cada toma de datos. Así mismo, se observa la conexión de las
líneas de corriente directa y alterna, aunque son de mayor interés a profundizar aquellas que van
del panel de mando, además de los sensores de velocidad y temperatura, que van al controlador.
Esta conexión se encuentra disponible en línea, según la referencia total del controlador y hasta
qué punto se desea controlar el funcionamiento del motor. La Figura 4.29 presenta el diagrama
eléctrico y electrónico de esta sección, donde las líneas de colores representan el cable físico
instalado como lo presenta el manual esquemático referenciado en [41].
Figura 4.29. Diagrama electrónico de potencia.
74
4.6. CONSTRUCCION DEL DINAMOMETRO.
Hasta este capítulo se ha culminado el proceso de diseño y selección de todos y cada uno de los
elementos (llámese equipo, estructura o compuesto) que hace parte del dinamómetro hidráulico. El
siguiente paso para tener en cuenta es la compra de equipos y ensamble de todas las partes que
conforman el dinamómetro, y para ello, es pertinente tener en cuenta las dimensiones generales del
laboratorio y una previsualización de la disposición que pueden llegar a tener.
Figura 4.30. Dimensiones generales del Dinamómetro para motores eléctricos. Vista Superior. Unidades en mm.
En la Figura 5.1 se puede observar las áreas a ocupar en la zona donde vaya a levantarse el
dinamómetro. Es de importancia disponer de manera mínima una zona de 3.7 metros por 2 metros
donde se dispondrán cada una de las 3 partes en las que se divide el dinamómetro: Base motor y
sistema de adquisición, base de la transmisión manual y el que conforma el sistema de carga en sí
mismo, tanque y ensamble hidráulico.
A su vez, esta instalación está solventada por el diseño asistido por computadora (CAD), en la cual
se puede detallar físicamente el bosquejo de cómo se pretendería el resultado final de la
construcción del banco de pruebas (Figura 5.2).
75
Figura 4.31. Diseño CAD del dinamómetro para motores eléctricos.
En el Anexo S se detalla un listado de elementos que componen el dinamómetro hidráulico,
teniendo en cuenta un nombre o descripción del producto, su referencia según el mercado y la
cantidad requerida para su construcción, abarcando el más mínimo detalle, es decir, desde el
material para la fabricación del tanque hasta las conexiones entre válvulas y tuberías.
4.6.1. Alineaciones y vibraciones
En cualquier montaje de elementos mecánicos se pueden generar un sin número de fenómenos
físicos que provocarían algún problema en específico sobre cada parte que constituye el montaje.
Cuando se trata de un montaje con máquinas rotativas el agravante común es la alineación de los
componentes que se unen para transmitir potencia (velocidad y torque) desde el conductor
(normalmente un motor eléctrico o a combustión) hacia el conducido (sea una bomba, rotor,
engranes, etc). Un desalineamiento de ejes (Ver Figura 4.32) puede provocar problemas como
fricción, vibraciones, consumo mayor de energía, averías en componentes como rodamientos, entre
otros.
76
Figura 4.32. A). Desalineación lineal o paralela. B) Desalineación angular. C) Alineamiento perfecto
Dependiendo de la aplicación o como el usuario disponga de espacio o dinero, se pueden tener
diferentes soluciones respecto a la solución para el alineamiento de ejes. Un cardán puede
solucionar en gran medida este problema, aunque se presentarían algunas perdidas de potencia por
fricción, o si es posible, conectar directamente los ejes, alineándolos con dispositivos infrarrojos,
como los que se observan en la Figura 4.33, aunque los costos de estos equipos sean
significativamente elevados.
Figura 4.33. Alineador de ejes TKSA 41 de la marca SKF ®
Para el caso actual del proyecto, hay dos consideraciones que se podrían llegar a realizar por
circunstancias de horas de trabajo, disposición o juego entre las partes. En la figura 4.34 se ve en
detalle la unión entre la brida con el inserto estriado que se obtuvo del embrague correspondiente
a la caja y esta misma. Físicamente, estos elementos poseen un juego considerable debido a las
características de deslizamiento en el momento de empujar y devolver el embrague, por lo que
liberaría un poco los esfuerzos que se puedan presentar en una unión por chaveta, por ejemplo.
Aunque es una opción considerada, probablemente no dejarían de presentarse problemas a largo
plazo, debido a algún tipo de desgaste, sobre todo, porque el equipo de nivelación que se posee
77
actualmente es de un nivel digital como el que se observa en la Figura 4.37, cuya resolución es de
0.1°.
Figura 4.34. Sistema de transmisión de potencia sin acople
La otra opción muy recomendada es usar un acople flexible que permita tener un rango
considerable de desalineamiento, con el plus de tener un diseño de fabrica que alcance o por lo
menos persiga las especificaciones de transmisión mecánicas de torque y velocidad que se desean.
Figura 4.35. Sistema de trasmisión de potencia con acople flexible
En los catálogos de proveedores se encuentran diversas propuestas. Se determina recomendar la
marca Rexnord de acoples flexibles en su gama “Thomas” la cual está diseñado para alto
rendimiento y desempeño. Así entonces, como se observa en [42], el catálogo deja entrever que el
acople Thomas XTSR 52 de tamaño 996 cumple con las especificaciones suficientes posible
desalineamiento del sistema de transmisión.
78
Figura 4.36. Acople Flexible Rexnord Thomas XTSR52-71 ®
Figura 4.37. Nivel digital Mitutoyo
Adicionalmente, para absorber las vibraciones del sistema, se plantea la idea de aislar las
estructuras incorporando un elemento elastómero que, por sus propiedades moldeables, permitiría
que las vibraciones que se puedan presentar no sean o se conviertan en un problema para el
desempeño de todo el equipo en su totalidad.
4.6.2. Uniones por soldadura
Se denomina estructura a un todo, compuesto por diferentes elementos característicos entre sí.
Netamente a nivel mecánico, una estructura se compone de un sinfín de partes con formas
uniformes y comercialmente encontradas, unidas por algún método de enlace capaz de transmitir
los esfuerzos de manera uniforme de una pieza a otra.
La unión por soldadura es la más común, ya que su proceso se basa en la fusión a muy alta
temperatura, de los elementos que se unirán, sea entre ellos o con un material de aporte adicional.
El método de soldadura por fusión más común y el usado para unir las partes de cada estructura en
este proyecto es la soldadura por arco eléctrico con electrodo metálico revestido. La Figura 4.38
[43] muestra las partes de un cordón de soldadura común, que, dependiendo del voltaje o la
corriente que se aplique para crear el calor sobre las partes, variará el dimensionamiento del cordón.
79
Figura 4.38. Partes del cordón de soldadura
Existen diferentes normas que establecen cual deben ser las dimensiones que debe tener la
soldadura dependiendo de los esfuerzos a transmitir y las propiedades del material soldable. En
una unión en ángulo, por ejemplo, encontramos que la norma NBE EA-95 establece cálculos para
hallar la longitud del cordón de soldadura (𝑙𝑤) al igual que el valor de la garganta (𝑎). Ver Figura
4.39 [44]
Figura 4.39 Dimensiones de la soldadura en ángulo
Para calcular y comprobar de manera teórica que la soldadura implementada tiene las dimensiones
correctas, se hacen una secuencia de tres pasos, con el propósito de calcular la longitud del cordón
de soldadura necesaria para soportar el esfuerzo en cada una de las dos estructuras [45], teniendo
en cuenta el valor hallado en las simulaciones que se presentan en las tablas 4.6 y H.2. Solo se hará
el cálculo para la estructura que soportará el motor. Los cálculos y resultados de la otra estructura
para la caja de velocidades manual, se presenta en el Anexo S.
Paso 1: Resistencia de la soldadura en ángulo por unidad de superficie (Ecuación 21):
80
𝜎𝑤,𝑑 =
𝜎𝑢√3⁄
𝛽𝑤 ∗ 𝛾𝑀2 (𝐸𝑐. 21)
𝜎𝑤,𝑑 =
510√3⁄
0.9 ∗ 1.25= 261.7 [𝑀𝑃𝑎]
𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒:
𝜎𝑤,𝑑: 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑑𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 á𝑟𝑒𝑎
𝜎𝑢: 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 ú𝑙𝑡𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙. 𝑆𝑢𝑝𝑜𝑛𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝑢𝑛 𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎𝑙 𝑆 355 [46]
𝛽𝑤: 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑒𝑛 𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑖𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 (𝑉𝑒𝑟 𝑇𝑎𝑏𝑙𝑎 4.7)
𝛾𝑀2: 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑢𝑛𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑙𝑑𝑎𝑑𝑎 = 1.25
Cabe aclarar que se supone un valor para la resistencia última del material basado en los cálculos
que plantea la norma, ya que esta solamente se preocupa por aquellos materiales comerciales para
estructuras como el S 355 (Norma DIN).
Tabla 4.7. Coeficiente de correlación 𝛽𝑤
Paso 2: Dimensionado de garganta:
La garganta, es la altura de la máxima del triángulo isósceles que se forma por las caras de las dos
piezas soldadas. Existen diferentes maneras de seleccionar este valor; sea por tablas (Tabla 4.8) o
por alguna fórmula empírica o recomendada donde dependa del ancho de la pieza a soldar. De [45]
se toma como recomendado, el valor de garganta de 3 para piezas con espesores entre 3 y 10 mm,
cercano al valor que plantea la Tabla 4.8. Además, como comprobación se llevó a cabo una
medición directa sobre la estructura ya soldada para comprobar que se cumpliese con el valor
dentro del rango esperado. Para medir estas secciones se pueden usar herramientas especiales como
un calibrador de soldadura (Ver Figura 4.40), pero por limitaciones se usa un calibrador
directamente (Figura 4.41), donde a lo largo y ancho del cordón de soldadura para la base del motor
y la base de la caja, su garganta es de 5 mm y 3.5 mm, respectivamente.
Acero Comercial σ_u [Mpa] β_u
S 235 360 0.8
S 275 430 0.85
S 355 510 0.9
81
Figura 4.40. Calibrador de soldadura digital
Paso 3: Dimensionado de la longitud del cordón de soldadura (Ecuación 22)
𝐿𝑤 ≥ 𝜎
𝑎 ∗ 𝜎𝑤,𝑑 (𝐸𝑐. 22)
𝐿𝑤 ≥ 𝜎
𝑎 ∗ 𝜎𝑤,𝑑=
99.2
3 ∗ 261.7= 0.1262 [𝑚𝑚]
𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒:
𝐿𝑤: 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑑ó𝑛 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑑𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎
𝜎: 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑉𝑜𝑛 𝑀𝑖𝑠𝑠𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎
𝑎: 𝐷𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑔𝑎𝑟𝑔𝑎𝑛𝑡𝑎
Como se aprecia, la longitud mínima necesaria para que la estructura soporte el esfuerzo máximo
en la zona donde se presente es de apenas unos 126 micrómetros (µm), lo que asegura que la
soldadura no tendrá ningún problema en cuanto a cargas estáticas se refieren.
Figura 4.41. (Izq) Garganta de base caja. (Der) Garganta de base motor
82
5. METODOLOGIA PARA LA EJECUCION DE
PRUEBAS.
Como ya se ha enfatizado, la finalidad de este proyecto es realizar un banco de pruebas para
motores eléctricos con fines automotrices capaz de soportar y aportar las cargas necesarias con el
propósito de caracterizar y evaluar el desempeño de estos motores que no superen más de cien
caballos de potencia mecánica.
En la actualidad existen dos organismos o entidades importantes encargados de la estandarización
a nivel mundial para el desarrollo de procesos y/o nuevas tecnologías. Tanto la IEC (Comisión
electrónica internacional) como la IEEE (Instituto de Ingeniería Eléctrica y Electrónica) plantean
alternativas para el procedimiento de pruebas de motores eléctricos, en caso particular, de
inducción.
Se descarta inminentemente el uso de la norma IEC 60034-2-1 [20] ya que, a pesar de tener un
método destacado para encontrar todas las pérdidas presentes en un motor de inducción, descarta
directamente la aplicación de esta norma para máquinas de tracción vehicular. Por tanto, es preciso
prestar atención única a la norma IEEE 112 del año 2017 (última edición) [47] la cual tiene una
serie de pruebas explicadas, algunas detalladamente y otras de manera genérica. Si bien, se podrían
ejecutar todas las pruebas al pie de la letra como lo plantea la norma, el enfoque se establecerá
sobre una en particular, donde se explica cómo se deben realizar las pruebas de relación entre la
velocidad de rotación, el torque y la corriente, es decir, ejecutar esta prueba para la obtención de
las curvas de comportamiento mecánico y eléctrico del motor eléctrico.
Si bien, la explicación en la literatura de la norma no relata paso por paso, detalle en detalle la
ejecución de las pruebas, por lo menos, entrega algunas pautas y cuatro métodos que el usuario de
83
la norma puede elegir según las restricciones que posea en cuanto a dispositivos de medición o
practicidad previsualizada. En el caso particular, se ha de seguir el método 4 de medición directa,
ya que, al poseer un equipo tan sofisticado como el HBM, ha de facilitar el proceso de adquisición
de datos.
5.1. SIMULACION DEL DINAMOMETRO.
Es oportuno mencionar la viabilidad que se ha previsto en el desarrollo de una simulación para
entender de mejor forma como se ejecutarían las pruebas de desempeño y que se espera obtener de
las mismas. Básicamente, en esta simulación se encuentra una forma didáctica de comprender
como el operario debería realizar las pruebas, posteriormente descritas, teniendo en cuenta las
variables que puede controlar directamente, como lo son: la velocidad de giro del motor, la presión
del sistema hidráulico y la relación de transmisión a la cual estará predispuesta la caja de
velocidades. Así, se podrán visualizar algunos datos y gráficas para demostrar de alguna manera
los posibles datos a obtener.
La simulación se caracteriza por relacionar las potencias mecánicas presentes en el eje del motor y
de la bomba con la potencia hidráulica del dinamómetro. Hace falta mencionar que se hicieron
diferentes consideraciones para tener una aproximación lo más cercana a la realidad, es decir, a lo
que se presume llegue a obtenerse en las pruebas. Entre ellas se encuentran las curvas de potencia
mecánica de entrada al eje de la bomba según la velocidad de rotación de este o los datos de
potencia hidráulica, lo que permite conocer la eficiencia de la bomba que propone el proveedor en
el rango de trabajo aconsejado por este mismo. A su vez, se consideró una eficiencia mecánica en
la transmisión además de otros escenarios imposibles de emular.
La interfaz se divide en 3 partes principales. En la entrada de datos se encontrarán las variables a
manejar mencionadas anteriormente. Allí, el usuario ingresará los datos asociando este proceso con
la puesta en funcionamiento del banco real, donde el operario, para cada prueba, deberá
manualmente cuadrar la relación de transmisión, encender el motor y llevarlo a la velocidad
84
requerida para luego ir aumentando la presión en el sistema por medio de la válvula proporcional
que se tara igualmente, de forma electrónica, es decir, con un potenciómetro.
Figura 5.1. Zonas de la Interfaz de simulación del dinamómetro
Luego de ingresar los datos adecuados de entrada se dará clic sobre el botón “CALCULAR”, donde
se representa el proceso de transformación de energía hidráulica debido al aumento de presión del
sistema, creando una carga sobre el motor que tendrá que suplir para poder abrir la válvula de alivio
proporcional, manteniendo aproximadamente el mismo valor del torque mientras se estabiliza el
sistema y se toman las cantidades. En la zona de los datos de salida de la interfaz se exponen los
valores más significativos para comprender como funcionaria el dinamómetro y las limitaciones
que tendría, tal como la velocidad de giro de la bomba, el torque en el eje máximo permitido y la
potencia en el eje. También se debe prestar especial atención a los valores de torque del motor
debido a la carga y el torque límite a esa velocidad del motor, teniendo en cuenta que se está
estudiando un motor cuyas gráficas de torque versus velocidad angular son dadas por el proveedor
y se le aplico una regresión polinomial de grado 6 para encontrar la función matemática que más
se adapte a dicha curva. Si se desea entender un poco más el código y observar cual es la función
generada por la regresión, se recomienda mirar el Anexo T en el cual se muestra el código de los
cálculos matemáticos detrás de la interfaz programada en Matlab.
85
Ahora, el punto vital de esta simulación se puede observar en la Figura 5.2. Allí se expone un caso
particular donde el motor se ha llevado a 2000 [RPM] y la presión de la válvula se ha tarado al
máximo, cuyo valor es 3500 [PSI]. Observando la zona de gráficas resultantes, en la parte superior
se ha graficado la curva de torque del motor en particular y allí señalado muy claramente, un punto
rojo que indica el estado o valor actual del torque real del motor que ha llegado a su tope y su color
específica que esa fuerza que está generando no puede superar la presión tarada previamente, por
lo que en realidad, en las tuberías del sistema hidráulico se presenta un valor de presión menor, que
se puede ver señalado por la flecha azul (3410 [PSI]). Cuando esto pasa, se ha de sentar por hecho
que este es el valor que se está buscando en el caso particular de esta velocidad y es el valor para
graficar posteriormente. Además, se aclara que, a pesar de la no apertura de la válvula, como ya se
ha mencionado, la tecnología de la válvula por medio de un conducto secundario evita el
sobrecalentamiento del aceite por estancamiento, recirculándose hacia el sistema de refrigeración
y posterior llegada a tanque.
Figura 5.2. Caso particular de la simulación del dinamómetro
5.2. PROCEDIMIENTO: PRUEBAS PRELIMINARES.
86
Al momento de requerir hacer pruebas de desempeño para cualquier motor que entre dentro del
requerimiento de diseño del dinamómetro, se recomienda ejecutar siempre una metodología de
pruebas preliminares para conocer el motor y determinar la cantidad de pruebas o repeticiones
necesarias para una confiabilidad estadística del 95% mínima en la toma de datos. Si bien, para
propósitos del presente proyecto se debe realizar este cálculo estadístico, para futuras pruebas de
desempeño se propone utilizar la cantidad calculada por el autor de la tesis, aunque solo se trate de
una recomendación.
Figura 5.3. Diagrama de flujo de las pruebas preliminares
La metodología para implementar se representa por medio de un diagrama de flujo mostrado en la
Figura 5.3. Se ha de utilizar como herramienta de ejemplificación, la interfaz de simulación
explicada en el inciso anterior. La explicación de los pasos será acorde a la numeración en el
diagrama de flujo, para que el lector pueda relacionar fácilmente las dos partes:
Paso 1: Una vez ajustado y acoplado, el motor se ha de llevar a sus máximas revoluciones, usando
la primera relación de transmisión de la caja, o se tendrá en cuenta una velocidad tope de 8000
87
RPM, si es que la velocidad de giro del motor en cuestión supera dicho valor. Esto último se debe
a la consideración de evitar forzar la bomba en futuras pruebas y que, en la zona de velocidades
altas, los valores tienden a no ser considerados debido a la aplicación vehicular donde serán
aplicados. De igual manera se debe ejecutar esta prueba con la válvula proporcional abierta ya que
el fin primordial de este paso es hallar la velocidad máxima o de tope que se usará en las pruebas
del motor.
Paso 2: Ya que la intención de estas pruebas preliminares es saber la cantidad de repeticiones
confiables para los estudios subsecuentes, se recomienda llevar siempre al motor a la mitad de la
velocidad máxima (4000 [RPM] sería el valor máximo posible) y usar la caja de velocidades en la
segunda relación de transmisión. Entonces, se ajustará el Throttle a la velocidad requerida dejando
abierta la válvula proporcional para luego empezar a crear la carga gradualmente mirando el valor
de presión en el manómetro y encontrar el punto donde la presión en el sistema ya no aumente más
(Figura 5.4).
Figura 5.4. Representación gráfica del Paso 2 @ 4000 [RPM]. Pruebas Preliminares. (a) 500 [PSI]. (b) 1200 [PSI]
Paso 3: Apenas se encuentre estabilizado el sistema, se procede a tomar el valor tanto del torque
en el eje del motor como la corriente consumida por este. Se toman dichos valores ya que, a pesar
de estar relacionados, la sensibilidad del sistema de adquisición de datos para cada uno es diferente,
así que será necesario realizar un análisis estadístico independiente para las dos variables (Figura
5.5).
88
Figura 5.5. Representación gráfica del Paso 3. Pruebas Preliminares. Tope de 1627 [PSI]
Paso 4: En estas pruebas no existe una cantidad determinada de repeticiones que se consideren
buenas para el cálculo. En efecto, de eso se trata este paso, de conocer las repeticiones confiables.
Por tanto, se recomienda repetir el paso 2 y 3 unas 10 veces.
Paso 5: Determinar la muestra de datos o número de repeticiones de una prueba es indispensable
para asegurar la confiabilidad de los datos que se adquieren, ya que, factores como la precisión de
los equipos de medición, exactitud del operador, consideraciones ambientales, entre otros tantos,
afectan la repetibilidad de los datos que se van adquiriendo.
Una manera de calcular el tamaño de muestra para una prueba es realizar o ejecutar un estudio
estadístico básico, tomando datos de una prueba preliminar y consiguiente, usar una formula
estadística (Ec. 21) como lo hacen en [10], la cual, determina la cantidad de repeticiones o muestra
de la prueba según la confiabilidad esperada y la desviación estándar resultante del experimento
preliminar a la prueba real. Con la intención de evitar procedimientos de cálculo extensos, se
recomienda el uso del software Minitab, tanto para el cálculo de la desviación estándar como el
posterior hallazgo del tamaño de muestra.
𝑛𝑡 =𝑍2 ∗ 𝜎2
𝑒𝑝2 (𝐸𝑐. 23)
89
𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒:
𝑛𝑡: 𝑡𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑜 𝑟𝑒𝑝𝑒𝑡𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠
𝑍: 𝐶𝑜𝑛𝑓𝑖𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑
𝜎:𝐷𝑒𝑠𝑣𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑠𝑡á𝑛𝑑𝑎𝑟
𝑒𝑝 ∶ 𝑃𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟
Por otra parte, si el tamaño de muestreo es supremamente grande, hay recomendaciones como la
que se encuentra en [60] donde plantea un mínimo de 30 repeticiones o en [10] que justifica el uso
de 10 repeticiones para mediciones en el sector industrial o ingenieril.
5.3. PROCEDIMIENTO: PRUEBAS PARA CURVA DE DESEMPEÑO.
Una vez obtenido el valor del número de repeticiones ahora si se procede a ejecutar las pruebas de
rendimiento basadas en la norma IEEE Std 112. Así como en las pruebas preliminares, aquí se
presenta un diagrama de flujo que representa la metodología para ejecutar las pruebas de
desempeño (Figura 5.6). La explicación en detalle se efectuará para una velocidad rotacional del
motor de dos mil (2000) revoluciones por minuto y se soportará con la simulación de un motor AC
34 de la marca HPVES [66].
Paso 1. Protocolo previo a las pruebas: Consiste en observar la puesta a punto de los principales
dispositivos del dinamómetro, es decir, desde el sistema de adquisición de datos hasta el
funcionamiento del intercambiador de calor, pasando por la apertura total de la válvula de alivio.
Paso 2. Ajustar caja de velocidades en marcha cuatro (4): Una vez el dinamómetro esté a punto, se
ajusta la caja de velocidades la marcha de relación 1:1, lo cual hará que la bomba hidráulica gire a
la misma velocidad que el motor.
90
Figura 5.6. Diagrama de flujo de las pruebas de rendimiento
Paso 3. Encender motor y ajustar velocidad a 2000 RPM: Con el control de mando, encendemos el
controlador del motor y ajustamos la perilla de velocidad rotacional Throttle (Figura 4.29) hasta
alcanzar las dos mil revoluciones por minuto. Esto último debe lograrse con la retroalimentación
por parte del operario, soportado en el dato mostrado en pantalla del equipo HBM.
Paso 4. Tarar válvula progresivamente hasta límite superior: Una vez estabilizada la velocidad del
motor, usando el potenciómetro de la caja de mando denominado Brake, girar la perilla de manera
suave y progresiva con el propósito de aumentar la restricción del paso del fluido hasta observar
que tanto el valor manómetro como el dato de torque del motor en pantalla, deja de aumentar al
girar la perilla (Figura 5.7).
91
Figura 5.7. Representación del Paso 4 @2000 [RPM]. Pruebas de desempeño. (a) 500 [PSI]. (b) 1050 [PSI]
Paso 4 Alternativo. Tarar válvula a 3500 PSI: Otra alternativa de ejecutar el proceso de restricción
de fluido o implementación de carga al motor, se basa en el cierre total de la válvula suave y
progresivamente, esto, con el fin de asegurar la entrega máxima de torque por parte del motor en
el régimen de velocidades interpuestas. A pesar de que el motor no entregase el torque suficiente
para superar la presión de taraje (nominal o máxima) de la válvula, la tecnología propia de esta
permite evitar inconvenientes en sobrecargas sobre el sistema o el motor. La explicación de esta
ventaja se encuentra en la sección 4.2.3.1 del presente escrito (Figura 5.8).
Figura 5.8. Representación del Paso 4 Alternativo @2000 [RPM]. Pruebas de desempeño. (a) 500 [PSI]. (b) 3500
[PSI]
92
Paso 5. Estabilización del sistema y toma de datos: Se prevé un tiempo de estabilización previa a
la toma de datos, de aproximadamente noventa (90) segundos, evitando que el motor suba su
temperatura, acrecentado este hecho al estar estático, a diferencia cuando se encuentra en un
vehículo en movimiento, recibiendo la refrigeración del aire. Inmediatamente, se ha de tomar los
datos en pantalla respecto al voltaje y corriente directas, además del torque y potencias mecánicas
en el eje.
Paso 6. Apertura total de válvula: Antes de repetir el proceso nuevamente, se abre totalmente la
válvula suave y gradualmente hasta encontrar que no haya ninguna presión en el sistema.
Paso 7. Ajustar velocidad del motor a 0 RPM: Por último, se ha de llevar la velocidad del motor a
cero para culminar con la adquisición de las cantidades variables mecánicas y eléctricas o iniciar
una nueva toma.
Al finalizar toda la prueba se espera obtener una gráfica bastante similar a las que el proveedor
muestra [66] o por lo menos que la tendencia sea la misma, así los valores suelan ser diferentes.
93
6. CONCLUSIONES.
• Se diseñaron y construyeron las estructuras basadas en un análisis estático-elástico de
cargas, cuyo resultado dio un factor de seguridad de 3, aproximadamente. Adicionalmente
se encontraron que los primeros tres modos normales de falla se encontraron muy por
debajo del rango velocidades de prueba para un motor eléctrico.
• Se calculó y corroboró termodinámicamente y por transferencia de calor, la necesidad de
implementar un intercambiador de calor para el aceite hidráulico.
• En el sistema de conexión entre el motor y el dinamómetro, se calculó la resistencia de los
pernos ASTM A35 comerciales y de las cuñas de AISI 1018 ajustadas al motor y a la bomba
para la transmisión de potencia.
• Se planteó una metodología para el desarrollo de pruebas de desempeño basados en el
cálculo estadístico previo del número de pruebas repetitivas que generen confiabilidad en
los datos y la posterior generación de las gráficas de comportamiento mecánico y eléctrico
del motor guiados por la Norma IEEE Std 112 del 2017.
• Teniendo en cuenta los parámetros de diseño del dinamómetro, se calcularon y
seleccionaron los elementos hidráulicos pertinentes.
94
7. TRABAJO A FUTURO.
Si bien, la implementación del dinamómetro puede llevar a cabo varios tipos de pruebas de
desempeño o pérdidas en un motor eléctrico, es imprescindible mejorar el funcionamiento de
ciertos equipos, además de la forma como se llevan a cabo las pruebas.
Por una parte, se tiene el intercambiador de calor, efectivo al momento de neutralizar la temperatura
del fluido dentro del sistema hidráulico con el propósito de operarlo bajo un rango de óptimo
desempeño. Sin embargo, la energía eléctrica usada en el ventilador para remover el calor está
sobreestimada ya que el motor del ventilador únicamente puede operar a su frecuencia nominal, es
decir, su velocidad máxima. Sería de interés a futuro implementar algún tipo de control, llámese
ON/OFF o PID (Proporcional, Integral, Derivativo [43] capaz de optimizar el consumo energético
en el sistema de enfriamiento.
Otro tema interesante es la transmisión y la eficiencia presente en los acoples hechos entre el motor
y la caja de velocidades. Si bien, los valores de velocidad para la toma de datos no son en cantidad,
enormes para los motores evaluados, pueden presentarse motores con revoluciones superiores a las
ocho mil (8000) revoluciones (dependiendo de la aplicación automotriz y la potencia del motor,
restringidas por los objetivos del proyecto), por lo que se pueden llegar a generar vibraciones que
afecten el funcionamiento del equipo. Es así como sería interesante llevar este campo de estudio
hacia las vibraciones que se puedan presentar en este sistema y posteriormente, si es necesario,
implementar un acople flexible que ayude a mitigar las inminentes vibraciones que se llegasen a
presentar.
Ahora bien, sin necesidad de menospreciar el punto a intervenir, es de total importancia para el
operario la ergonomía o facilidades de manejo que tenga sobre el dinamómetro para motores
95
eléctricos. Actualmente se cuenta con un sistema de mando cuya caja se componen, como ya se ha
dicho, de dos potenciómetros y dos interruptores. Sería interesante, para futuros proyectos u otros
ensayos implementados, una mejora en el panel de control o mando a nivel electrónico y eléctrico.
Esto último quiere decir que, estudiado el sistema de control de potencia, podría mejorarse el
control y la seguridad frente a posibles fallas humanas o del sistema con la finalidad de garantizar
que no se presenten daños de ninguna índole.
La norma IEEE Std 112 del 2017 se concentra en determinar cuantitativamente todos los factores
influyentes en las perdidas de energía sobre el momento de la transformación de la energía eléctrica
a mecánica. Por lo cual, sería de utilidad generar una metodología de estudio para abarcar y analizar
las perdidas presentes en un motor eléctrico implementando, por ejemplo, equipo de medición
adicional como el módulo de medición para temperatura marca Dewesoft que posee el CIMA
actualmente, considerando que la norma establece la perdida de energía por calor, una de las más
influyentes.
La variabilidad de los factores que se pueden controlar en estos dispositivos puede hacer pensar en
el desarrollo de un análisis de Taguchi entre otros, para el consumo de energía eléctrica, o el rango
de eficiencia óptimo como propuesta en el manejo de un vehículo con condiciones similares en la
tracción con el que cuenta el dinamómetro. En efecto, se podrían ejecutar pruebas parecidas a las
que se ejecutan en un motor a combustión, dependiendo del enfoque o propósito a buscar y de las
limitaciones actuales del dinamómetro.
96
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103
ANEXOS.
104
ANEXO A. Función de temperatura del aceite – Balance
energética del recipiente.
ℎ = 0.5 [𝑚] − 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑛 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑐𝑡𝑜 𝑐𝑜𝑛 𝑒𝑙 𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒
𝑙 = 1.22 [𝑚] − 𝐿𝑎𝑟𝑔𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒
𝑤 = 0.95 [𝑚] − 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒
Para calcular la superficie de contacto del aceite con el tanque, se desprecia la tapa de arriba, así:
𝐴𝑠 = (𝑤 ∗ 𝑙) + (2 ∗ ℎ ∗ 𝑙) + (2 ∗ ℎ ∗ 𝑤) (𝐸𝑐. 24)
𝐴𝑠 = (0.95 ∗ 1.22) + (2 ∗ 0.5 ∗ 1.22) + (2 ∗ 0.5 ∗ 0.95) = 3.33 𝑚2
El balance de energía de un recipiente se presenta en la siguiente ecuación [28 Termodinámica
Cengel]:
𝑄𝑒𝑛𝑡̇ − 𝑄𝑠𝑎𝑙̇ = 𝑚𝑎𝑐𝑒 ∗ 𝐶𝑝 ∗ 𝑑𝑇𝑎𝑐𝑒𝑑𝑡
(𝐸𝑐. 25)
Así mismo, el calor que disipa el recipiente 𝑄𝑠𝑎𝑙̇ está dado por la ecuación relacionada con el
coeficiente de convección global:
𝑄𝑠𝑎𝑙̇ = 𝑈 ∗ 𝐴𝑠 ∗ (𝑇𝑎𝑐𝑒(𝑡) − 𝑇𝑎𝑚𝑏) (𝐸𝑐. 26)
Reemplazando la ecuación (26) en (25):
𝑄𝑒𝑛𝑡̇ − 𝑈 ∗ 𝐴𝑠 ∗ (𝑇𝑎𝑐𝑒(𝑡) − 𝑇𝑎𝑚𝑏) = 𝑚𝑎𝑐𝑒 ∗ 𝐶𝑝 ∗ 𝑑𝑇𝑎𝑐𝑒𝑑𝑡
𝑄𝑒𝑛𝑡̇
𝑈 ∗ 𝐴𝑠− (𝑇𝑎𝑐𝑒(𝑡) − 𝑇𝑎𝑚𝑏) =
𝑚𝑎𝑐𝑒 ∗ 𝐶𝑝
𝑈 ∗ 𝐴𝑠∗ 𝑑𝑇𝑎𝑐𝑒𝑑𝑡
−(𝑇𝑎𝑐𝑒(𝑡) − 𝑇𝑎𝑚𝑏 −𝑄𝑒𝑛𝑡̇
𝑈 ∗ 𝐴𝑠) =
𝑚𝑎𝑐𝑒 ∗ 𝐶𝑝
𝑈 ∗ 𝐴𝑠∗ 𝑑𝑇𝑎𝑐𝑒𝑑𝑡
El diferencial de temperatura del aceite se define como la temperatura de este en un instante de
tiempo, menos la temperatura del ambiente, menos el calor que absorbe
−(𝑇𝑎𝑐𝑒(𝑡) − 𝑇𝑎𝑚𝑏 −𝑄𝑒𝑛𝑡̇
𝑈 ∗ 𝐴𝑠) =
𝑚𝑎𝑐𝑒 ∗ 𝐶𝑝
𝑈 ∗ 𝐴𝑠∗ 𝑑(𝑇𝑎𝑐𝑒(𝑡) − 𝑇𝑎𝑚𝑏 −
𝑄𝑒𝑛𝑡̇
𝑈 ∗ 𝐴𝑠)
𝑑𝑡
105
Sea 𝜃 = 𝑇𝑎𝑐𝑒(𝑡) − 𝑇𝑎𝑚𝑏 −𝑄𝑒𝑛𝑡̇
𝑈∗𝐴𝑠, se integra la ecuación diferencial por cada lado:
−∫𝑑𝑡
𝑚𝑎𝑐𝑒 ∗ 𝐶𝑝𝑈 ∗ 𝐴𝑠
𝑡
𝑜
= ∫𝑑(𝜃)
𝜃
𝑇𝑒𝑚𝑝 𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒
𝑇𝑎𝑚𝑏
La temperatura inicial es la misma temperatura ambiente:
−𝑡
𝑚𝑎𝑐𝑒 ∗ 𝐶𝑝𝑈 ∗ 𝐴𝑠
= ln(𝜃)𝑇𝑎𝑚𝑏𝑇𝑒𝑚𝑝 𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒
−𝑡
𝑚𝑎𝑐𝑒 ∗ 𝐶𝑝𝑈 ∗ 𝐴𝑠
= ln (𝑇𝑎𝑐𝑒(𝑡) − 𝑇𝑎𝑚𝑏 −𝑄𝑒𝑛𝑡̇
𝑈 ∗ 𝐴𝑠) − ln (−
𝑄𝑒𝑛𝑡̇
𝑈 ∗ 𝐴𝑠)
−𝑡
𝑚𝑎𝑐𝑒 ∗ 𝐶𝑝𝑈 ∗ 𝐴𝑠
= ln(𝑇𝑎𝑐𝑒(𝑡) − 𝑇𝑎𝑚𝑏 −
𝑄𝑒𝑛𝑡̇
𝑈 ∗ 𝐴𝑠
−𝑄𝑒𝑛𝑡̇
𝑈 ∗ 𝐴𝑠
)
𝑒
−𝑡
𝑚𝑎𝑐𝑒∗𝐶𝑝𝑈∗𝐴𝑠 =
𝑇𝑎𝑐𝑒(𝑡) − 𝑇𝑎𝑚𝑏 −𝑄𝑒𝑛𝑡̇
𝑈 ∗ 𝐴𝑠
−𝑄𝑒𝑛𝑡̇
𝑈 ∗ 𝐴𝑠
Se despeja la Temperatura del aceite en función del tiempo:
𝑇𝑎𝑐𝑒(𝑡) = (𝑒
−𝑡
𝑚𝑎𝑐𝑒∗𝐶𝑝𝑈∗𝐴𝑠 ) ∗ (−
𝑄𝑒𝑛𝑡̇
𝑈 ∗ 𝐴𝑠) + 𝑇𝑎𝑚𝑏 +
𝑄𝑒𝑛𝑡̇
𝑈 ∗ 𝐴𝑠
𝑇𝑎𝑐𝑒(𝑡) = 𝑇𝑎𝑚𝑏 +𝑄𝑒𝑛𝑡̇
𝑈 ∗ 𝐴𝑠∗
(
1 − (𝑒
−𝑡
𝑚𝑎𝑐𝑒∗𝐶𝑝𝑈∗𝐴𝑠 )
)
(𝐸𝑐. 27)
Ya se ha mencionado que la tasa de calor de entrada es el 25% de la potencia total del sistema. Así:
𝑄𝑒𝑛𝑡̇ = 0.25 ∗ 74570 = 18642.5 [𝑊] (𝐸𝑐. 28)
Además, del libro Transferencia de calor de Cengel, se calcula el valor del coeficiente global de
convección:
106
𝑈 = (1
ℎ𝑎𝑐𝑒+
1
ℎ𝑎𝑖𝑟𝑒)−1
𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒:
ℎ𝑎𝑐𝑒 = 50 [𝑊
𝑚2 ∗ 𝐾] − 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 𝑒𝑛 𝑚𝑜𝑣𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
ℎ𝑎𝑐𝑒 = 14 [𝑊
𝑚2 ∗ 𝐾] − 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑒𝑛 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑏𝑙𝑒
𝑈 = (1
ℎ𝑎𝑐𝑒+
1
ℎ𝑎𝑖𝑟𝑒)−1
= (1
50+1
14)−1
= 10.93 [𝑊
𝑚2 ∗ 𝐾] (𝐸𝑐. 29)
La masa total de aceite que tendrá el tanque se calcula:
𝑉𝑜𝑙 = 𝑤 ∗ 𝑙 ∗ ℎ = 0.95 ∗ 1.22 ∗ 0.5 = 0.5795 𝑚3
𝑚𝑎𝑐𝑒 = 𝜌 ∗ 𝑉𝑜𝑙 = 885 ∗ 0.5795 = 512.9 [𝐾𝑔] (𝐸𝑐. 30)
𝑆𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜:
𝜌 = 885 [𝐾𝑔
𝑚3] − 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒
𝑉𝑜𝑙 = 0.5795 [𝑚3] − 𝐸𝑙 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒
El calor específico del aceite es de:
𝐶𝑝 = 1901.75 [ 𝐽
𝐾𝑔 ∗ 𝐾] (𝐸𝑐. 31)
Así entonces, reemplazando los valores de las ecuaciones (24), (28), (29), (30) y (31) en (27), se
obtiene la ecuación que relación la temperatura en función del tiempo respecto a la salida de calor
del tanque por convección natural:
𝑇𝑎𝑐𝑒(𝑡) = 25 +18642.5
10.93 ∗ 3.33∗ (1 − (𝑒
−𝑡
512.9∗1901.7510.93∗3.33
∗1 𝑚𝑖𝑛60 𝑠 ))
𝑇𝑎𝑐𝑒(𝑡) = 20 + (512.2 ∗ (1 − (𝑒−
𝑡446.65 𝑚𝑖𝑛))) (𝐸𝑐. 32)
Teniendo en cuenta que el tiempo está dado en minutos, la gráfica representativa sería:
107
Figura A.1 Temperatura vs Tiempo del aceite hidráulico
108
ANEXO B. Calor de salida por conducción y convección del
tanque
En el Anexo E se encuentran las medidas del tanque usado para el sistema hidráulico. De allí se
obtienen las dimensiones para el cálculo del área de transferencia de calor. Además, como parte de
la concepción del problema, en la Figura B1 se muestra el esquema de resistencias térmicas
considerando el estado de la transferencia como estacionario, es decir, que el fluido no está siendo
forzado a moverse dentro del tanque.
Figura B.1 Representación del flujo de calor por resistencias térmicas
𝐴𝑇 = (2 ∗ (𝑊 ∗ 𝐿)) + (2 ∗ (𝐻 ∗ 𝐿)) + (2 ∗ (𝐻 ∗ 𝑊)) (𝐸𝑐. 33)
𝐴𝑇 = (2 ∗ (0.935 ∗ 1.27)) + (2 ∗ (0.54 ∗ 1.27)) + (2 ∗ (0.54 ∗ 0.935)) = 5.5214 [𝑚2]
𝑅𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝑡
𝐾𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 ∗ 𝐴𝑇= 3.048 ∗ 10−3
63.9 ∗ 5.5214= 8.639 𝑋 10−6 [
𝐾
𝑊] (𝐸𝑐. 34)
𝑅𝑐𝑜𝑛𝑣,1 = 1
ℎ𝑎𝑖𝑟𝑒 ∗ 𝐴𝑇=
1
14 ∗ 5.5214= 0.01294 [
𝐾
𝑊] (𝐸𝑐. 35)
𝑅𝑐𝑜𝑛𝑣,2 = 1
ℎ𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 ∗ 𝐴𝑇=
1
50 ∗ 5.5214= 3.622 ∗ 10−3 [
𝐾
𝑊] (𝐸𝑐. 36)
109
�̇� = 𝑇1 − 𝑇2
𝑅𝑐𝑜𝑛𝑑 + 𝑅𝑐𝑜𝑛𝑣,1 + 𝑅𝑐𝑜𝑛𝑣,2=
70 − 20
8.639 𝑋 10−6 + 0.01294 + 3.622 ∗ 10−3 (𝐸𝑐. 37)
�̇� =50
0.01657= 3018 [𝑊]
Donde:
𝑊 ∶ 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = 935 [𝑚𝑚]
𝐿 ∶ 𝐿𝑎𝑟𝑔𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = 1270 [𝑚𝑚]
𝐻 ∶ 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = 540 [𝑚𝑚]
𝐴𝑇 ∶ 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒
𝐾𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 ∶ 𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 = 63.9 [𝑊
𝑚 ∗ 𝐾]
𝑅𝑐𝑜𝑛𝑑 : 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒
ℎ𝑎𝑖𝑟𝑒 ∶ 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑒𝑛 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑟𝑖𝑜
ℎ𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 : 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒
𝑅𝑐𝑜𝑛𝑣,1 : 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒
𝑅𝑐𝑜𝑛𝑣,2 ∶ 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒
�̇� ∶ 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑦 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒
110
ANEXO C. Método de selección de un intercambiador de
calor marca Parker.
111
ANEXO D. Método de selección válvulas
1. Válvula de alivio proporcional
Figura D.1 Selección de referencia para orden de compra Válvula de Alivio proporcional
2. Válvula de seguridad
Figura D.2. Código Orden de compra Válvula de Seguridad
112
Figura D.3. Válvula de Seguridad con cuerpo de válvula
3. Válvula de dos vías.
Figura D.4. Código orden de compra Válvula de dos vías
Figura D.5. Válvula de dos vías con cuerpo de válvula
113
ANEXO E. Plano del Tanque
114
ANEXO F. Plano del Banco Motor
115
ANEXO G. Plano Banco Transmisión
116
ANEXO H. Proceso de simulación FEM Banco Transmisión
Paso 1. Identificación de variables
Figura H.1 Diagrama de fuerzas del Banco Transmisión
Paso 2. Cálculo de variables
𝑇 =𝑃𝑜𝑡
𝑅𝑃𝑀= 74570
1000∗ 1𝑁 ∗ 𝑚 ∗ 𝑚𝑖𝑛
𝑠 ∗ 𝑟𝑒𝑣∗ 60
𝑠
𝑚𝑖𝑛∗1
2𝜋
𝑟𝑒𝑣
𝑟𝑎𝑑= 712 [𝑁.𝑚] (𝐸𝑐. 38)
𝑅1 = √𝑅𝑥12 + 𝑅𝑦1
2 = √0.0562 + 0.0572 ≅ 0.08 [𝑚] (𝐸𝑐. 39)
𝐹1 =𝑇
4𝑅1=
712
4 ∗ 0.08≅ 2225 [𝑁] (𝐸𝑐. 40)
𝑅2 = √𝑅𝑥22 + 𝑅𝑦2
2 = √0.1272 + 0.07622 ≅ 0.1481 [𝑚] (𝐸𝑐. 41)
𝐹2 =𝑇
4𝑅2=
712
4 ∗ 0.1481≅ 1200 [𝑁] (𝐸𝑐. 42)
Suponiendo:
𝐹1𝑥 = 𝐹1𝑦 𝑦 𝐹2𝑥 = 𝐹2𝑦:
𝐹1𝑥 = 𝐹1𝑦 =2225
√2≅ 1573 [𝑁] (𝐸𝑐. 43)
𝐹1𝑥 = 𝐹1𝑦 =1200
√2≅ 850 [𝑁] (𝐸𝑐. 44)
𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒:
𝑅𝑃𝑀:𝑅𝑒𝑣𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑠𝑒 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎 𝑡𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑜: 1000 𝑅𝑃𝑀
𝑃𝑜𝑡: 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜: 100 𝐻𝑃 𝑜 74570 𝑊
𝑇: 𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑎 𝑒𝑣𝑎𝑙𝑢𝑎𝑟
117
𝐹1: 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑒𝑛 𝑢𝑛𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 2 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑗𝑒𝑐𝑖ó𝑛 𝑡𝑟𝑎𝑠𝑒𝑟𝑜𝑠
𝐹2: 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑒𝑛 𝑢𝑛𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 2 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑗𝑒𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒𝑟𝑜𝑠
𝐹𝑖𝑥: 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑥 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝐹𝑖
𝐹𝑖𝑦: 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑦 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝐹1
𝑅1:𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑑𝑒 𝑒𝑙 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 𝑎𝑙 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑗𝑒𝑐𝑖ó𝑛 𝑡𝑟𝑎𝑠𝑒𝑟𝑜 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑒𝑙 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑜 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙
𝑅2:𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑑𝑒 𝑒𝑙 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 𝑎𝑙 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑗𝑒𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒𝑟𝑜 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑒𝑙 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑜 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙
𝑅𝑥𝑖: 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑥 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑅𝑖
𝜃1: 𝐴𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 𝑥 𝑦 𝑒𝑙 𝑣𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝐹1
𝜃2: 𝐴𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 𝑥 𝑦 𝑒𝑙 𝑣𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝐹2
Paso 3. Ingreso de valor preprocesamiento Hypermesh (Optistruct)
Tabla H.1 Datos de entrada preprocesamiento
Paso 4. Proceso de cálculo computacional
Figura H.2 Preprocesamiento y mallada del Banco Transmisión
Variable Cantidad Unidad
Modulo de Young (E) 205000 MPa
Densidad (ρ) 7.87E-09 Ton/mm 3̂
Coeficiente de Poisson (ν) 0.3 -
Fuerza 1 (F1) 1573 N
Fuerza 2 (F2) 850 N
Masa (m) 40 Kg
Variables de entrada pre-procesamiento
118
Paso 5. Obtención de valores
Tabla H.2 Resultados del postprocesamiento Banco Transmisión
Figura H.3 Von Misses Banco Transmisión
Variable Valor Unidad
Esfuerzo Von Misses (Max) 100.4 MPa
Esfuerzo de cedencia 370 MPa
Primer modo de vibración 1.083 Hz
Primero de Flexión 64.98 RPM
Segundo modo de vibración 1.259 Hz
Segundo de Flexión 75.54 RPM
Tercer modo de vibración 3.134 Hz
Primero de Torsión 188.04 RPM
Cuarto modo de vibración 86.54 Hz
Segundo de Torsión 5192.4 RPM
Quinto modo de vibración 196.84 Hz
Tercero de Torsión 11810.4 RPM
Resultados del postprocesamiento
119
ANEXO I. Planos de la celda de carga
120
121
ANEXO J. Vista explosionada Sistema de Bridas
122
ANEXO K. Plano Brida a Motor (Brida I)
123
ANEXO L. Plano Brida a Transmisión (Brida II)
124
ANEXO M. Plano Cuña de motor
125
ANEXO N. Plano Cuña de Bomba
126
ANEXO O. Código G CAM y Chavetero (Brida I)
127
Figura O.1 Perfil de la chaveta Corte por Electrosionadora
128
ANEXO P. Plano Perno ASTM A325 de 3/8”
129
ANEXO Q. Plano Perno ASTM A325 de 5/8”
130
ANEXO R. Listado de elementos que componen el
dinamómetro hidráulico
131
Tabla R.1 Elementos que componen el sistema hidráulico
Descripción Referencia Cantidad
Bomba hidráulica de engranajes PGP365A242NFAB17-11 1
Intercambiador de calor ULAC ULAC-033D-M000SW 1
Filtro de entrada 936549 1
Filtro de retorno 40CN110QEBM2KS244 1
Válvula de alivio proporcional R6V10595POPN10VB1 1
Válvula de 2 vías con manifold DSL201CR B20-2-20T S10LD 1
Válvula de seguridad con manifold PRH161 S50 16T 1
Manómetro PGB0631400 1
Boquilla de entrada de aceite AB116310 1
Placa base de la válvula de alivio SPP 10M12B 910 1
Medidor de temperatura FL6922 1
Pasa muros de 1-1/4" 20 WBU 1
Pasa muros de 1-1/2" 24 WBU 1
Union en codo de 90° de 1-1/2" 24 EBU 2
Union en codo de 90° de 1-1/4" 20 EBU 6
Conector macho hidráulico de 1-1/2" 24 FBU 2
Conector macho hidráulico de 1-1/4" 20 FBU 4
Conector macho hidráulico de 1-1/4" SAE20 F5BU 6
Expansion de 1-1/4" a 1-1/2" SAE 24-20 F5OG5-S 2
Redcutor de 1-1/4" a 1" SAE 16-20 F5OG5-S 2
Reductor de 1-1/4" a 1/4" 1 1/4 X 1/4 PTR 1
Tee de 1-1/2" 24 JBU 1
Tee de 1-1/4" 20 JBU 6
Tee de 1-1/4" con ramificacion hembra 20 OBU 1
Lamina de acero de 4' X 8' C 11 3
Angulo 3/16 X 1-1/2" 2
Tubo 1-1/4" (Tramo de 6 metros) T1-1/4X.095ACSC 3
Tubo 1-1/2" (Tramo de 6 metros) T1-1/2X.120ACSC 1
132
ANEXO S. Cálculo de la longitud de soldadura para la
estructura del motor
Paso 1: Resistencia de la soldadura en ángulo por unidad de superficie (Ecuación 45):
𝜎𝑤,𝑑 =
𝜎𝑢√3⁄
𝛽𝑤 ∗ 𝛾𝑀2 (𝐸𝑐. 45)
𝜎𝑤,𝑑 =
510√3⁄
0.9 ∗ 1.25= 261.7 [𝑀𝑃𝑎]
𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒:
𝜎𝑤,𝑑: 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑑𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 á𝑟𝑒𝑎
𝜎𝑢: 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 ú𝑙𝑡𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙. 𝑆𝑢𝑝𝑜𝑛𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝑢𝑛 𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎𝑙 𝑆 355 []
𝛽𝑤: 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑒𝑛 𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑖𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 (𝑉𝑒𝑟 𝑇𝑎𝑏𝑙𝑎 4.7)
𝛾𝑀2: 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑢𝑛𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑙𝑑𝑎𝑑𝑎 = 1.25
Paso 2: Dimensionado de garganta: De igual manera se escoge, a=3
Paso 3: Dimensionado de la longitud del cordón de soldadura (Ecuación 46)
𝐿𝑤 ≥ 𝜎
𝑎 ∗ 𝜎𝑤,𝑑 (𝐸𝑐. 46)
𝐿𝑤 ≥ 𝜎
𝑎 ∗ 𝜎𝑤,𝑑=
100
3 ∗ 261.7= 0.1273 [𝑚𝑚]
𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒:
𝐿𝑤: 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑑ó𝑛 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑑𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎
𝜎: 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑉𝑜𝑛 𝑀𝑖𝑠𝑠𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎
𝑎: 𝐷𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑔𝑎𝑟𝑔𝑎𝑛𝑡𝑎
133
ANEXO T Código Matlab Cálculos de la simulación del
dinamómetro
Nota: El código completo y los archivos se encuentran en la carpeta “Simulación Dinamómetro”