“AIR POWER”

PRESENTAN:

Samuel Pérez Méndez

Gómez Solís Allan

Sosa Licona Alejandro

Joel Hernández Ramírez

ASESOR:

Ing. Luis Ricardo Hernández Macías

M en C Pablo Montes utrera

OCTUBREDE 2010

INDICE

INTRODUCCION-----------------------------------------------------------------------

PROBLEMA-----------------------------------------------------------------------------

METAS DE INGENIERIA------------------------------------------------------------

METODOS Y MATERIALES-------------------------------------------------------

RESULTADOS------------------------------------------------------------------------

CONCLUSIONTES------------------------------------------------------------------

I. INTRODUCCION

Desde hace siglos, el ser humano ha tenido la necesidad de transportarse de un lugar a otro, por distintas causas, un motivo importante fue el comercio, originalmente para trasladar las diversas mercancías de un lugar a otro eran utilizados los seres humanos, hasta que se empezó a hacer uso de bestias de carga como caballos o mulas. A medida que el comercio era más demandante con ciertos productos también empezó una creciente demanda de recursos tecnológicos, de tal forma que se emplearon diversos medios de transporte para las mercancías y personas, por mar, se utilizaban embarcaciones y por tierra se empezaron a utilizar los carruajes tirados por caballos. Un invento que revolucionó considerablemente la industria fue sin duda la máquina de vapor y en el caso de la industria de transporte no fue la excepción, ya que los primeros autos que circularon, fueron adaptaciones de la máquina de vapor; debe tener una mención aparte la máquina de combustión interna, que es en realidad el sistema que prevalece hasta nuestros días. Con la utilización del motor de combustión interna se lograron grandes adelantos en cuanto a la materia de transporte se refiere, en un principio se buscaba solo trasladarse hacia otro lugar sin importar tanto el tiempo de traslado, posteriormente se buscó acortar los tiempos de traslado y una vez logrado esto se inició la búsqueda de transportes más grandes cómodos y eficientes. Hoy en día podemos encontrar en los vehículos grandes ventajas, comodidades, seguridad y hasta podemos hablar de autos inteligentes que tienen la capacidad de generar cierta autonomía.

La industria automotriz ha dejado un poco a un lado las prestaciones , ergonomía o aditamentos que pudiera tener un vehículo, ahora tiene una gran preocupación, debido a la escasez que se vislumbra de los combustibles fósiles, esto significa que el petróleo se está agotando y no solo se habla de la escasez del petróleo, sino también se habla de la grave contaminación ambiental que ha generado la utilización de los combustibles fósiles ¿Qué sucederá cuando no haya más petróleo para poder operar un vehículo? La respuesta se encuentra en las energías que les llaman renovables, la industria automotriz apuesta hoy en día por las tecnologías limpias, ahora las empresas están haciendo grandes esfuerzos por crear vehículos eléctricos que utilizan las llamadas pilas de combustible, la energía solar o experimentan con los coches de hidrógeno, una opción altamente rentable es entonces el vehículo que funciona con aire comprimido, ya que no utiliza combustible y por lo tanto podría ser una de las opciones más convenientes, ya que tendrían un gran impacto ambiental, social y económico. Los hindúes y los franceses han inventado un automóvil que a partir del aire acondicionado funciona con aire comprimido. El Mini C.A.T. fabricado por la empresa Tata motors, es un vehículo que con apenas una recarga logra una autonomía de 300 kilómetros.

II. PROBLEMA

Actualmente nuestro planeta sufre de contaminación en el agua, suelo y aire. No podemos decir que solo una de ellas nos afecta directamente porque las tres interactúan entre sí a través de diferentes ciclos. Las fuentes de contaminación crecen de forma alarmante, pues recordemos que no solo los vehículos son los que aportan contaminantes, el aire también es afectado

directamente por las emisiones de gas y polvos que son liberados por las grandes industrias. La utilización desmedida de combustibles (hidrocarburos) como fuentes de energía ha generado tres problemas importantes: La contaminación del aire que respiramos, el calentamiento global y el deterioro de la capa de ozono. La mayor parte de la energía empleada actualmente en el mundo proviene de los combustibles fósiles. Se les utiliza en transporte, para generar electricidad, para calentar ambientes, para cocinar, etc. Los combustibles fósiles son tres: petróleo, carbón y gas natural, y se formaron hace millones de años, a partir de restos orgánicos de plantas y animales muertos que durante miles de años de evolución del planeta, los restos de estos seres que lo poblaron en sus distintas etapas se fueron depositando en el fondo de mares, lagos y otros cuerpos de agua, formando así os combustibles. Los combustibles fósiles son recursos no renovables: no se reponen por procesos biológicos como por ejemplo la madera. En algún momento, se acabarán, y tal vez sea necesario disponer de millones de años de una evolución y descomposición similar para que vuelvan a aparecer. CONTAMINACIÓN DEL AIRE QUE RESPIRAMOS Se entiende por contaminación atmosférica a la presencia en el aire de materias o formas de energía que impliquen riesgo, daño o molestia grave para las personas y bienes de cualquier naturaleza, reducir la visibilidad o producir olores desagradables. El nombre de la contaminación atmosférica se aplica por lo general a las alteraciones que tienen efectos perjudiciales en los seres vivos y los elementos materiales. Los principales mecanismos de contaminación atmosférica son los procesos industriales que implican combustión, tanto en industrias como en automóviles y calefacciones residenciales, que generan dióxido de carbono y monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno y azufre, entre otros contaminantes. Igualmente, algunas industrias emiten gases nocivos en sus procesos productivos, como cloro o hidrocarburos que no han realizado combustión completa. EL CALENTAMIENTO GLOBAL Es un término utilizado para referirse al fenómeno del aumento de la temperatura de la atmósfera terrestre y de los océanos, otro motivo de gran preocupación es la elevación del nivel de los mares, ya que se están elevando entre 1 y 2 centímetros por decenio, a la vez que se agudizan los fenómenos climáticos extremos. EL DETERIORO DE LA CAPA DE OZONO El seguimiento del deterioro de la capa de ozono, llevado a cabo en los últimos años, ha llegado a la conclusión de que dicha capa puede considerarse seriamente amenazada. El enrarecimiento grave de la capa de ozono provocará el aumento de los casos de melanomas (cáncer) de piel, de cataratas oculares, supresión del sistema inmunitario en humanos y en otras especies. También afectará a los cultivos sensibles a la radiación ultravioleta. Por este motivo es imprescindible investigar y desarrollar otras alternativas de suministro energético, implementando energías renovables ya que se pueden generar sin afectar a nuestro entorno ecológico y pueden explotarse ilimitadamente.

III. METAS DE INGENIERIA

Desarrollar un sistema que transforme la energía neumática en energía mecánica para mover un vehículo, que se retroalimente automáticamente, con el fin de disminuir costos por consumo de combustibles y sin emisiones contaminantes al ambiente (aire) también con el fin de que este tipo de vehículo sea eficiente y desarrolle la fuerza necesaria de acuerdo el peso y sus capacidades del mismo que tendrá que desplazar. Así también implementado al vehículo un sistema de retroalimentación para que el mismo genere su propia energía tratando que su auto recarga sea de un nivel alto de eficiencia para su uso.

IV. ASPECTOS METODOLÓGICOS

El diseño de un carro se compone de cuatro fases importantes: El chasis El sistema de transmisión El sistema de dirección El sistema impulsor

El chasis. La forma del chasis puede ser muy diversa, obviamente el diseño debe estar restringido por diversas variables a considerar por el diseñador como son el tamaño del motor, los elementos auxiliares para los sistemas eléctricos, electrónicos, mecánicos, el número de plazas, es decir, el número de pasajeros que se trasladan dentro del vehículo, etc. También para poder diseñar el chasis es importante tomar en cuenta el modelo final de la carrocería, ya que el chasis sirve también como soporte para la carrocería, el diseño de la carrocería es un tema que debe ser tratado aparte, ya que actualmente los diseñadores de vehículos toman en cuenta algunos factores que en un principio no se consideraron como la velocidad del viento que es una fuerza igual, opuesta y proporcional a la velocidad del vehículo, su forma estética, entre otros factores

Para el diseño de un chasis se puede enfocar hacia el estudio de las vigas. Las vigas

son elementos estructurales utilizados para soportar cargas en dirección

perpendicular a su eje longitudinal. En general, la longitud de una viga es mucho

mayor que las dimensiones de la sección transversal. En la figura 3 se representa las

vigas de uso común.

Figura 3. Diferentes tipos de vigas, A) Viga en Voladizo, B) Viga

Simplemente Apoyada, C) Viga Simplemente Apoyada

A)

B)

C)

Una viga puede estar sometida a cargas puntuales, a cargas distribuidas o, más

generalmente a una combinación de estas. Cuando una viga está sometida a estas

deben remplazarse por una fuerza y momentos que la equilibran. Para determinar las

fuerzas internas de cualquier punto de una viga, se deben considerar, en la posición

que se tome para el análisis, las fuerzas equivalentes a las cargas distribuidas

ejercidas sobre estas.

Considérese una viga simplemente apoyada con una luz L y una carga P concentrada

en el punto medio como se muestra en la figura 4. Las reacciones en los apoyos son

RA=RB=P/2.

Figura 4. Representación de la fuerza a la que está sometida una viga

Para determinar las fuerzas internas en toda la longitud de la viga, se corta primero la

viga a una distancia x del extremo A y se toma esta porción como diagrama de

cuerpo libre. Si esta porción esta en equilibrio, debe haber una fuerza V dirigida hacia

abajo tal que contrarreste ecuación 1, denominada fuerza de corte, además, como la

reacción produce un momento ecuación 2 del punto de corte, debe existir un

momento igual y de sentido contrario M que lo equilibre. A este momento M se le

denomina momento de flexión. Se puede observar que para la porción seleccionada

0≤x≤L/2, la fuerza de corte es constante y que el momento de flexión varía

linealmente desde 0 hasta PL/4. Se observa claridad que la fuerza de corte y el

momento de flexión en la porción derecha son iguales, respectivamente, a la fuerza

de corte y el momento de flexión en la porción izquierda pero de signo contrario.

(1)

(2)

Dado que la fuerza de corte y el momento de flexión, a pesar de estar referidos a un

punto, son de sentido contrario, dependiendo de la porción que se considere (derecha

o izquierda), se establece la siguiente ecuación: si la fuerza de corte se dirige hacia

abajo en la porción izquierda de una viga, se le considera positiva; el momento de

flexión se considera positivo si se indica en sentido anti horario, es decir, si el vector

momento sale del plano del dibujo. Para la porción derecha, obviamente, la

convención es al contrario.

Considera ahora un corte sobre la viga a una distancia x mayor que L/2.

RA= P/2 RB = P/2

P

x

P/2

M

Figura 5. Representación del corte para el cálculo de momento en una viga

P L/2

M

L-x P/2

P

M

x

P/2 Figura 6. Cálculo de momentos en la viga mostrada

Ahora V es igual a P/2, pero dirigida hacia arriba; entonces V es negativa. Tomando

momentos con respecto al nuevo punto de corte, resulta en la ecuación 3; para x=L/2,

M=PL/4 y para x=L, M =0.

Ahora se analiza una viga con una carga uniformemente distribuida en toda su

longitud figura 6. Con el objeto de comparar con el caso anterior, la carga distribuida

tiene un valor ecuación 4 (peso por unidad de longitud) tal que la carga equivalente

sea P.

(3)

(4)

P

W=P/L

RA= P/2 RB= P/2

Figura 6 Viga con cargas uniformemente distribuida

Para determinar las reacciones, se reemplaza la carga distribuida por la fuerza

equivalente (área bajo la curva de carga) aplicada en su centroide. Utilizando las

ecuaciones de equilibrio, se determina que RA= RB= P/2. Para determinar la forma

como varia la fuerza cortante, se toma una porción de la viga de longitud x (Figura 6).

En esta porción, la carga equivalente ecuación 5, y su punto de aplicación esta a x/2

de A.

(5)

Mediante la sumatoria de fuerzas en la dirección vertical se encuentra ecuación 6,

expresión válida para 0≤x≤L. para x=0, V=P/2 y para x=L; v=0 en x=L/2.

(6)

(P/L) x

P/L

V

M

x

Figura 7. Momento en una viga con carga uniformemente distribuida

Tomando momentos con respecto al punto situado a la distancia x de A, se determina

por la ecuación 7.

(7)

En donde M representa momento de torsión x una distancia L una longitud. x=0, M=0;

para x=L, M=0, y el valor máximo del momento es PL/8 en x=L/2.

En los ejemplos mostrado mostrados, se puede observar que aunque las reacciones

son iguales en ambos casos, las fuerzas internas varia diferente. Cuando no hay

cargas distribuidas, el valor de la fuerza de corte se mantiene constante y el momento

varia linealmente; además, una fuerza concentrada produce una discontinuidad en el

diagrama de la fuerza de corte. Si la carga distribuida es uniforme Figura 7, la

variación de V es lineal y la de M es parabólica.

El sistema de transmisión Se compone de un juego de ruedas dentadas (Engranes o catarinas) que es el sistema de tracción del carro que se encuentra conectado con las llantas traseras estos van montados sobre un eje que está sujeto por dos chumaceras o rodamientos que permiten una mejor movilidad de la misma la cual es impulsada por un conjunto de flechas paralelas que controla el sistema de propulsión, estas flechas llevan instalas un conjunto de estrellas o catarinas y por medio de una cadena se puede mover el carro, generalmente para las transmisiones son utilizados los llamados trenes de engranaje, que es un sistemas de engranes colocados de forma lineal o seriada para generar los diferentes cambios de velocidad en el vehículo, como se observa en la figura 8.

Figura 8. Transmisión típica por

ruedas dentadas.

El sistema de tracción para un vehículo se compone de una serie de flechas conectadas entre sí por ruedas dentadas,tal como se observa en la figura 8.

El sistema del motor se conecta a un tren de engranaje para disminuir o aumentar la velocidad.

Es importante conocer la velocidad permisible dentro del sistema, la mínima que se pretende implementar y también cual va a ser la velocidad máxima con la que se va

desplazar el carro, para poder conocer esta velocidad se obtiene por medio de la ecuación 8.

(8)

Con v como la velocidad en m/s, d como la distancia en m y t es el tiempo en segundos, lo anterior nos lleva a establecer cuantos metros, kilómetros, pulgadas, pies o en sí que distancia se pretende recorrer en un intervalo determinado de tiempo.

Al conocer la velocidad del sistema o al establecerlo previamente se debe visualizar que la velocidad deseada puede requerir de un ajuste con respecto a la velocidad de entrada, es decir, si la velocidad de entrada es menor que la establecida se debe de aumentar la velocidad, de lo contrario si la velocidad de entrada es menor la velocidad se debe de reducir. Para un tren de engranajes es conveniente conocer la relación que hay en el sistema, con respecto de las velocidades los diámetros de engranes o el número de dientes de engrane, tal como se aprecia en la ecuación 9.

(9)

Donde e representa la relación de engranaje la V la velocidad, D diámetro 1 y 2, y N el número de dientes. De esta forma, si se conoce la velocidad de entrada y de salida, los diámetros o el número de dientes se pueden establecer las relaciones convenientes.

En un tren de engranaje es conveniente conocer la velocidad de entrada o de salida o ambas.

Si se conoce la relación del sistema con respecto de las velocidades, entonces se puede establecer el diámetro de los engranes como se aprecia en la ecuación 10.

(10)

Quiere decir que con la ecuación 10 se pueden conocer físicamente las dimensiones de los elementos de engranaje que va a contener el sistema de tracción, cabe destacar que en el caso de los trenes de engranajes o transmisiones con diferentes velocidades se puede aplicar este principio para obtener las diferentes relaciones de salida requeridas, es decir, la creación de sistemas de una sola entrada y varias salidas.

Si se desea establecer los elementos ideales para que las ruedas puedan pasar de un estado estático a uno dinamico, es necesario conocer la carga o el peso de lo que va a mover o desplazar el vehículo de acuerdo a la ecuación 11.

F=ma (11)

En donde F es la fuerza en newton, m es la masa del elemento que se pretende mover en kg, cabe destacar que se deben considerar todos los elementos que actúan sobre el cuerpo, es decir, la masa del chasis, sistema mecánico, eléctrico, los

ocupantes del vehículo, etc. y la fuerza de gravedad se denota por la varia ble a, en m/s

2 .

Una vez conocida la fuerza es conveniente conocer el torque requerido por el sistema,el torque es el producto de una fuerza por la distancia donde se aplica dicha fuerza, esto también se denomina momento, par o trabajo mecánico, pero, ¿como actúa el torque sobre el sistema mecánico del vehículo? En la figura 9 se observa que para poder girar la tuerca que ahí se encuentra, se debe de utilizar un elmento de sujeción, en este caso una llave de tuercas, por lo tanto, para poder girar la tuerca se debe aplicar una fuerza que es igual y opuesta a la fuerza con la que se encuentra apretada la tuerca, de tal forma que a medida que fuerza de sujeción es menor o mayor, tambiénla fuerza requerida para girarla será mayor o menor según sea el caso.

Figura 9. Par torsional o torque en un elemento

Por otra parte se encuentra también la longitud del brazo de palanca, el cual actúa de forma importante en el sistema, a medida que la longitud del brazo de palanca es mayor, la fuerza requerida para girar la tuerca será menor y lo contrario si la longitud de la palanca es menor, ahora se deberá de homologar este sistema con el del vehículo, observe como en la figura 10 actúa el torque sobre el carro.

A) B)

Figura 10. A)Torque en una bicicleta, B) Torque en un sistema de combustión En la figura 5B se observa claramente como actúa la fuerza sobre el arbol de levas, quien es el encargado de girar la fleha de entrada del tren de engranes,también se observa la distancia del brazo de palanca que actúa sobre el mismo (Biela), el cálculo del torque para este sistema se observa en la ecuación 12. T= F*d (12) En donde el torque T se encuentra en N*m, F es la fuerza que se ejerce sobre el sistema, en pocas palabras el peso o la carga que se pretende mover y d es la distancia al eje neutro en metros.

Obtenidos los resultados de la la ecuacion 11 y la ecuacion 12 se obtiene la estapa de potencia P regularmente dada en hp el sistema de potencia es la que rige la velocidad del motor y se obtiene por la ecuacion 13.

(13)

SISTEMA DE DIRECCION

Si el vehículo cuenta ya con un chasis de soporte de los elementos mecánicos y en general de la carga que va a soportar, también se ha dado un panorama general de la velocidad mínima y máxima del sistema, ahora deberá de pensarse en un sistema que guíe al vehículo, este sistema es llamado comúnmente dirección.

El conjunto de mecanismos que componen el sistema de dirección tienen la misión de orientar las ruedas delanteras para que el vehículo tome la trayectoria deseada por el conductor, para que el conductor no tenga que realizar esfuerzo en la orientación de las ruedas (a estas ruedas se las llama "directrices"), el vehículo dispone de un mecanismo sinfín y corona, en los casos simples, o de servomecanismo de asistencia (en los vehículos actuales), una representación del sistema de dirección convencional se encuentra ilustrado en la figura 11.

Figura 11. Esquema Típico de un Sistema de Dirección

Se utiliza una barra de acoplamiento única (4) que va unida a los brazos de la rueda (3) y a la palanca de ataque o palanca de mando (2).el principio de este tipo de barras de dirección parte de un mecanismo de barras articulado en donde se tiene diversos elementos que sirven para generar el movimiento deseado, en general el funcionamiento básico para la dirección puede ser tomado de un mecanismo de cuatro barras articulado, existen diferentes tipos de mecanismos de cuatro barras, como los que se muestran en la figura 12.

A) B) C) D)

Figura 12. Representación típica de los mecanismos de cuatro barras más utilizados

En la figura 12 A) y D) Se muestra un mecanismo de doble manivela, B) mecanismo biela-manivela-oscilador, C) mecanismo de doble oscilador

Una forma de elegir el tipo de mecanismo que requiere el sistema de dirección, es entender cuál es el movimiento de entrada y cuál será el movimiento de salida deseado. Para conocer la dimensión de los eslabones, o en su caso el valor de los ángulos internos que se forman entre eslabones es a través de la ley de GRASHOF la cual “establece que un mecanismo de cuatro barras tiene al menos una articulación de revolución completa, si y solo si la suma de las longitudes de la barra más corta y la barra más larga es menor o igual que la suma de las longitudes de las barras restantes”., por lo que se establece la ecuación 14.

(14)

En donde s es el eslabón llamado manivela, p es la biela, q es el oscilador y r es la distancia entre puntos fijos (Que es considerado también como un eslabón), tal como se observa en la figura 13.

Figura 13. Representación de los eslabones de un mecanismo de cuatro barras

En el caso de los mecanismos de cuatro barras se deben conocer dos cosas importantes: La dimensión de cada uno de los eslabones y el ángulo que se forma entre ellos.

No podríamos hablar de uno sin que esté ligado al otro, es decir, existe una relación directa entre la dimensión de los eslabones y el ángulo que se forma entre ellos, una forma de visualizar estas magnitudes se aprecia en la figura 14.

Figura 14. Representación de los ángulos primordiales y eslabones de un mecanismo de cuatro barras

s

p

q

r

r2

r3

r4

r1

Z

ϴ

φ

ϴ y φ representan los ángulos primordiales del sistema de eslabonamiento, r1, r2, r3, y r4, representan a los eslabones s, p, q y r, respectivamente, mientras que Z representa una línea imaginaria por la cual se divide el sistema para formar dos triángulos, para los cuales se utiliza la ecuación 15.

(15)

Se observa que c puede ser sustituido por Z, y que además es común para ambos triángulos, por lo que se puede establecer la relación de la ecuación 16.

(16)

De lo anterior se puede despejar a φ para conocer su ángulo mínimo y máximo, cuando se cumplen la condición de que ϴ = 0, el cual se observa en la ecuación 17.

φ í

(17)

Cuando se cumplen la condición de que ϴ = 180º se aprecia en la ecuación 18 y se dice que es el ángulo máximo de φ.

φ

(18)

En el caso de los mecanismos de cuatro barras entonces se puede decir que existen cuatro posiciones primordiales para el sistema, el cual será representado cuando ϴ = 0, cuando ϴ = 180º, cuando ϴ se encuentra en el punto máximo, alineado r2 y r3 en el segundo cuadrante y cuando ϴ se encuentra en el punto mínimo, alineado nuevamente r2 con r3, pero esta vez en el tercer cuadrante, tal como se observa en la figura 15.

A) B) C) D)

Figura 15. A) Cuando ϴ= 180º, B) cuando ϴ = 0, C) cuando ϴ está en el punto mínimo y D) cuando ϴ se encuentra en el punto máximo.

El sistema impulsor

Todo vehículo que sirve para desplazarse debe de contar con un sistema impulsor que le ayude a ese propósito, en el caso de los antiguos carruajes, los que ayudaban al vehículo a desplazarse eran los caballos, ahora se utilizan diversos dispositivos que ayudan a lograr ese objetivo, dentro de los dispositivos impulsores se pueden destacar ampliamente a los motores, existen diversos tipos de motores como son:

Motor de combustion interna Motor electrico Motor hibrido Motor neumatico

Motor de combustión interna

Motor de combustión interna puede ser a gasolina y funcionar con diesel que transforma la energía química en energía mecánica con la explosión del combustible dentro de una cámara como se observa en la figura 16.

Figura 16. Funcionamiento básico del motor de combustión interna

En la figura anterior se puede ver claramente representado el sistema de combustión interna, en el cual se aprecia un cilindro que contiene en su parte interior un pistón, el cual va anclado a una leva, en la parte superior del cilindro existen dos válvulas y una bujía, una de las válvulas es la que alimenta el cilindro de una mezcla de combustible y aire, mientras que la bujía crea una chispa que ocasiona una explosión y expulsa al pistón hacia abajo, como la biela de pistón se encuentra anclada a la leva, entonces con el impulso vuelve a subir para comprimir los gases y expulsarlos por la segunda válvula. Por otra parte un motor eléctrico es una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de interacciones electromagnéticas. Algunos de los motores eléctricos son reversibles, pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores. El motor eléctrico se muestra en la figura 17.

Figura 17. Esquema del funcionamiento del motor eléctrico

Bujía Válvula 1

Válvula 2 Cilindro

Biela Pistón

Leva

El motor hibrido por otra parte su función principal es un motor electico que es combinado con otros motores como lo son de combustión interna y/o motores de imán permanente. Un motor neumático es un elemento que utiliza como fuente energética el aire, normalmente a alta presión o aire comprimido, al no contener elementos tan complejos dentro de su interior, más que algunos álabes que al estar conectados junto con el tubo de alimentación que son los que provocan el movimiento del eje principal, entonces se deduce que el motor neumático pesa mucho menos que un motor eléctrico de la misma potencia y tiene un volumen más pequeño en la figura 4 se muestra el funcionamiento del motor neumático.

Los motores neumáticos desarrollan más potencia con relación a su tamaño que la mayoría de los otros tipos de motores, algunas características o ventajas que puede ofrecer un motor neumático con respecto de los anteriores descritos son:

El par del motor neumático aumenta con la carga. Los motores neumáticos no se dañan cuando se bloquean por sobrecargas y

no importa el tiempo que estén bloqueados. Cuando la carga baja a su valor normal, el motor vuelve a funcionar

correctamente. Los motores neumáticos se pueden arrancar y parar de forma ilimitada. El arranque, el paro y el cambio de sentido de giro son instantáneos, incluso

cuando el motor esté trabajando a plena carga. Control de velocidad infinitamente variable. Simplemente con una válvula

montada a la entrada del ofrecen en el motor un par y potencia regulables.

Figura 18. Dibujo esquemático del funcionamiento del motor neumático de paletas

Existen diversos tipos de motores neumáticos, por ejemplo, el motor neumático de paletas, estos motores tienen un rotor montado excéntricamente en un cilindro, con paletas longitudinales alojadas en ranuras a lo largo del rotor, el par se origina cuando el aire a presión actúa sobre las paletas. El número de paletas es de 4 a 8. Normalmente cuatro o cinco paletas son suficientes para la mayoría de las aplicaciones. Se utilizan mayor número de paletas cuando se necesita mejorar la fiabilidad de la máquina y su par de arranque, los motores de paletas giran desde 3000 a 25000 R.P.M., en vacío.

Si se selecciona un motor neumático se necesita conocer 3 puntos importantes:

Torque

Potencia

Velocidad

Para obtener estos puntos hay que conocer el peso del sistema que se debe mover

esto con el fin de calcular la fuerza requerida, para ello nos ayudamos del peso del

cuerpo, la fuerza que tenemos que hacer es la misma al peso a la que tenemos que

mover por lo tanto decimos que:

F=R o bien F=ma

Donde F es la fuerza y R es el peso del sistema.

Teniendo la fuerza podemos calcular el torque, ya que se puede utilizar la ecuación 12

antes vista en el tema del tren de engranes (transmisión de potencia).

T= F*d Posterior mente se debe calcular la potencia esto se define con la ecuacion19: T=P/W (19) Si despejamos P=T*W Donde T es el torque, P es la potencia y W es la velocidad angular. Si se requiere conocer la velocidad angular se tiene que aplicar la ecuacion 20:

(20)

Donde: W = a velocidad angular y T= a periodo o su inverso que es F=frecuencia.

El periodo es definido por la ecuacion 21:

(21)

Si v es la velocidad de un punto y r es su distancia al eje de rotación, el periodo también se puede obtener a partir de la velocidad

Es necesario que el motor neumático cuente con un sistema de alimentación que le

proporcione aire suficiente para operar correctamente, aunque el aire utilizado para

esto es aire ambiente, previamente necesita se alojado en un recipiente o contenedor,

para llevar a cabo esa tarea se utilizan dispositivo que es llamado comúnmente

compresor. El compresor tiene la función de tomar el aire del ambiente, normalmente

con unos pistones para así depositarlo en el contenedor de almacenamiento, en

donde a medida que aumenta el volumen de aire y no tiene lugar hacia donde

expandirse, empieza a comprimirse, lo que provoca un aumento de presión en el

interior del tanque de almacenamiento, de esta forma podemos encontrar diferentes

tipos de compresores como son:

Compresores Alternativos

Compresores de Membrana Compresores de Paletas Compresores Rotativos Compresores de Tornillo Turbo Compresores

DESARROLLO

Como se vio en el capítulo I, para la construcción básica de un vehículo se requiere de cuatro sistemas primordiales, el sistema del chasis, el sistema de dirección, el sistema de transmisión y el sistema de propulsión.

Para el diseño e implementación del vehículo neumático, bien vale la pena mencionar que el objeto del estudio se centra en la implementación de un sistema de propulsión cuya fuente de energía es el aire comprimido, por lo que entonces para la construcción del prototipo se inicia con el sistema del chasis.

En primera instancia para el cálculo de la estructura del chasis se consideran las cargas existentes en el sistema, de acuerdo a la ecuación 11, por lo que:

Ftotal= Fsistema mecánico + F sistema de dirección + Fsistema neumático + Fpasajeros

Si se considera que F = ma, entonces factorizando la ecuación quedaría como:

Ftotal= (msistema mecánico + msistema de dirección + msistema neumático + )a

Sustituyendo valores:

Ftotal= (6kg+20kg+9kg+75kg) (9.81 m/s2)

Ftotal= 1079.1 N

Una vez obtenido esto se puede encontrar el comportamiento del momento flexionante y los esfuerzos cortantes del sistema, por lo que:

Ya que se determinaron algunos factores importantes como los esfuerzos cortantes y el momento flexionante, se debe de establecer la velocidad mínima y máxima del sistema, así saber si en el sistema se implementa un mecanismo que ayude a generar diversas velocidades, en pocas palabras un tren de engranaje.

Para el sistema de dirección se utiliza la ecuación 17, si se considera que el sistema de dirección genera un ángulo de 60º entre su posición mínima y su posición máxima, tal como se muestra en la figura 19.

Figura 19. Esquema del ángulo máximo del sistema de dirección, obtenido por experimentación

Como se observa, es necesario encontrar la dimensión correcta de los eslabones, por lo que:

P = πD

Y también:

P = 2πr

Con P como el perímetro, D es el diámetro y r es el radio, π es una constante, entonces de lo anterior se deduce que:

2π = 360º

Por lo tanto si:

X = 60º → X=

De lo anterior es necesario proponer una longitud de arco, ya que se entiende que la figura que dibuja el oscilador es un arco, como se muestra en la figura 20.

Figura 20. Esquema del arco formado por el oscilador

Proponiendo la longitud de arco (LA):

LA = 60 mm

Entonces de la ecuación 15:

60º

X = 60 mm Por lo tanto

El valor del radio sería:

Esto quiere decir que el valor obtenido es igual al valor de r4.

Por lo tanto se pude decir que r2 sería:

r2 = r4

Si se considera que el valor de ambos eslabones debe ser igual, pero por otra parte, se propone que:

r3 = 3r2

Por lo tanto r3 = 171.87 mm

Si consideramos la ecuación 14, entonces se tiene:

r2 + r3 r1 + r4

Entonces:

r1 = √

Por lo tanto la distancia entre puntos fijos es equivalente a: 172 mm

Ya que se tiene el chasis el sistema de dirección y la transmisión se puede empezar a calcular las características de nuestro sistema de propulsión (motor neumático) como se vio en puntos anteriores de vemos contar con 3 puntos importantes.

Primero hay que calcular la fuerza que se requiere para mover todo el mecanismo para esto asemos la sumatoria del peso de toda la estructura con sus diferentes partes, esto incluye la carga a la que se someterá ya que se trata de un vehículo de transporte:

Ft= (6kg+20kg+9kg+75kg)

Fuerza total = (110kg) (9.81m/ ) =1079.1N

Al obtener la fuerza que se emplea se puede calcular el torque esto se logra aplicando la ecuación 12.

T=F*d

T= (1079.1N) (.02 m)

Torque= 21.582 N*m

Ya que se calculo el torque se debe a ser el cálculo de la potencia y como lo describe la ecuación 13 hay que conocer el torque y la velocidad angular, el torque ya se ha obtenido y para calcular la velocidad angular (W) se debe utilizar la ecuación 19.

P=T*W = (21.582Nm) (3.94 = 267.13 Watts = 0.35 hp

P=Para calcular la velocidad angular se utiliza la ecuación 20.

W= 2π/ 50π

Velocidad angular= 3.94 =1.97 rpm

Para calcular la velocidad angular se tiene que conocer el periodo (T), este se calcula aplicando la ecuación 21.

T= (2π) (25 cm) Periodo= 50π

Visualizados todos los datos podemos empezar a definir que motor es el que cumple con lo esperado.

Al revisar las características que requiere el sistema para su propulsión se logra definir que motor es el que más nos conviene.

Las características del motor son las siguientes:

Torque=62.5 N*m

Potencia=0.5 hp

Velocidad= 2200 rpm

Dicho motor cuenta con características secundarias:

Gasto de energía (aire comprimido)= 1256.63

Presión a la que trabaja= 90 psi

Como ya se menciono, este prototipo contara con un sistema de recarga que nos ayudara a mantener nuestro sistema en funcionamiento, sin la necesidad de detenerse a una estación de servicio para abastecer el tanque de almacenamiento y regulación de presión.

Para el cálculo de esta parte se debe de utilizar los puntos ya definidos en las partes anteriores como son la del propulsor y transmisión ya que el gasto que nos genera el propulsor es la cantidad de energía (aire comprimido) que se debe abastecer.

Principalmente se deben de visualizar 3 puntos importantes, el gasto del motor es para conocer lo que se tiene que abastecer y en qué tiempo, volumen del compresor para definir cuanto puedo abastecer y la capacidad del tanque de almacenamiento ya que nos permitirá saber cuánto tiempo puedo abastecer el motor neumático sin uso del compresor:

Gasto del motor =1256.63

Capacidad del tanque= 18849.55

Volumen del cilindro (compresor)= 62.83

V. RESULTADOS

Los resultados de la implementación del prototipo terminado se aprecian en la figura número 21 en el cual se observa el sistema mecánico, de propulsión, el de dirección y el chasis.

Figura 21. Implementación del carro neumático

Una vez que se implementó el prototipo se hicieron algunas pruebas al mismo para observar el comportamiento del vehículo con respecto a la presión, velocidad, tiempo de carga, etc. Las pruebas realizadas al carro cuando se conecta directamente un compresor al tanque.

VI. ASPECTOS ECONÓMICOS

De acuerdo con investigación y con los cálculos nos arrojaron estos materiales

En la tabla 1 materiales que se requiere en el sistema electrónico

CONCEPTO CANTIDAD COSTO

Tabla fenólica 2 $200

Batería 12V 2 $300

Resistencias 150Ω 4 $4

Optocoplador 4N30 4 $32

Transistores TIP41 4 $32

Leds ultra brillantes 20 $110

TOTAL $678

En tabla 2 .los materiales que se ocupara para el sistema neumático

CONCEPTO CANTIDAD COSTO

Electroválvula 2 $1120

Motor neumático 1 $1500

Tanque almacenador 1 $700

Manguera neumática 4metros $100

Conexión de 1/4 5 $225

Conexión 1/8 10 $150

Válvula anti retorno 2 $1000

TOTAL $4795

En el sistema mecánico son los materiales que investigamos se encuentra en la

tabla 3

Tabla 3

CONCEPTO CANTIDAD COSTO

Engranes y poleas 9 $1800

Bandas y cadenas 4 $800

Llantas 4 $1500

Flechas 6 $450

Tornillos y cadenas 24 $100

pistones 4 $750

Estructura del carro 1 $2000

velocímetro 1 $400

Fibra de vidrio 1 $600

Asientos 2 $600

SUSPENCION 1 $2500

TOTAL $11500

VI. CONCLUSIONES

Al tener visualizados todos los resultados de experimentación e investigación podemos concluir que lo propuesto puede ser una alternativa viable a la solución de un problema tecnológico, si se implementa adecuadamente puede resolver muchos de los problemas de contaminación ambiental, al realizar las pruebas del prototipo, se observan las tablas comparativas que el prototipo no puede ser autónomo, es decir es necesario que en algún punto en que la presión cae versus velocidad, se debe de

hacer una recarga al sistema debido a las pérdidas de energía o de presión en el mismo. Con esto no quiere decir que el sistema no sea viable si se compara con el ya producido se puede concluir que probablemente lleve al prototipo a aumentar el tiempo de autonomía; por otra parte todo lo anterior motiva a la búsqueda de la eficiencia del sistema de propulsión, ya que como se puede observar si es posible la utilización de un vehículo que funciona con aire comprimido, que no contamina y que no representa un gasto el abastecimiento de combustible.