Instituto Profesional y centro de formación técnicaSede Maipú

Escuela de Ingeniería

Sistemas de propulsión alternativos

Motor

Hidrostático

Carrera: Ingeniería Mecánica Automotriz yAutotrónica

Asignatura:Sistemas de propulsión Alternativos

Fecha: Martes 28 de abril de 2015

Sección:009V

Integrantes: Sebastián AlvearEduardo CarvajalKlauss FritzAbraham Riquelme

Introducción

Con el transcurrir de los años y la evolución de los medios de transporte, el ser humano ha

creado diferentes e innumerables formas de propulsión, transmisión y aprovechamiento de

energía con el fin de suplir necesidades y mejorar la calidad y la eficiencia de los servicios que

brindan.

Una de las formas de propulsión creadas o aplicadas es el motor hidrostático el cual se ha

utilizado durante muchos años, ejemplo de esto es la rueda hidráulica de un molino que toma

la potencia producida por el flujo y el peso del agua para crear energía mecánica e impulsar el

molino. Basado en los principios de Arquímedes y Pascal, los sistemas hidrostáticos permiten

usar una fuente hidráulica de energía (agua) para girar una fuente de energía de salida (rueda

hidráulica), convirtiendo esa salida en energía mecánica.

Los sistemas hidrostáticos modernos toman la energía de salida giratoria mecánica de un

motor o de un motor eléctrico y la convierten en fuente hidráulica de energía, usando una

bomba. La energía hidráulica es convertida de nuevo en energía mecánica, usando un motor

(motor hidrostático). Esta energía mecánica se usa para impulsar un ventilador, una

transmisión, mandos finales, un diferencial o una bomba.

A continuación se realizará un estudio a los motores o sistemas hidrostáticos, se invita al lector

abordar y profundizar el tema, el modo en que se usan los diferentes tipos de bombas,

motores y sistemas para convertir energía mecánica en energía hidráulica y, de nuevo, en

energía mecánica

Desarrollo

Principio de funcionamiento

Para comenzar abordar el tema cabe destacar que la hidrostática es la rama de la mecánica de

fluidos que estudia los fluidos en estado de reposo; es decir, sin que existan fuerzas que

alteren su movimiento o posición. Reciben el nombre de fluidos aquellos cuerpos que tienen la

propiedad de adaptarse a la forma del recipiente que los contiene. A esta propiedad se le da el

nombre de fluidez. Son fluidos tanto los líquidos como los gases, y su forma puede cambiar

fácilmente por escurrimiento debido a la acción de fuerzas pequeñas.

Los principales teoremas que respaldan el estudio de la hidrostática son el principio de Pascal y

el principio de Arquímedes.

Principio de pascal

En física, el principio de Pascal es una ley enunciada por el físico y matemático francés Blaise

Pascal (1623-1662).

El principio de Pascal afirma que la presión aplicada sobre u fluido no compresible contenido

en un recipiente indeformable se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y a

todas partes del recipiente.

Este tipo de fenómeno se puede apreciar, por ejemplo en la prensa hidráulica la cual funciona

aplicando este principio.

P= (F1/A1)= (F2/A2)

Siendo:

- P=Presión

- F1 = Fuerza aplicada sobre el embolo Nº1

- F2= Fuerza aplicada sobre el embolo Nº2

- A1= Área del embolo Nº1

- A2= Área del embolo Nº2

Principio de Arquímedes

El principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sólido sumergido total o parcialmente en

un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba con una fuerza igual al peso del

volumen de fluido desalojado.

El objeto no necesariamente ha de estar completamente sumergido en dicho fluido, ya que si

el empuje que recibe es mayor que el peso aparente del objeto, éste flotará y estará

sumergido sólo parcialmente.

Funcionamiento

Los sistemas hidrostáticos modernos toman la energía de salida giratoria mecánica de un

motor o de un motor eléctrico y la convierten en fuente hidráulica de energía, usando una

bomba. La energía hidráulica es convertida de nuevo en energía mecánica, usando un motor.

Esta energía mecánica se usa para impulsar un ventilador, una transmisión, mandos finales, un

diferencial o una bomba.

Los sistemas de mando hidrostático pueden enviar directamente el flujo de la bomba al motor

o compartir el flujo de la bomba con otros sistemas de la máquina, como los frenos. Se

requieren válvulas adicionales para controlar el reparto del flujo de la bomba cuando se

comparte el flujo de la salida de la bomba.

Los sistemas de mando hidrostático impulsan las máquinas usando bombas y motores. La

mayoría de los sistemas de mando hidrostático son sistemas de bucle cerrado. Algunos

sistemas de mando hidrostático son sistemas de bucle abierto que usan válvulas de control de

carrete para dirigir el flujo de la bomba y enviar de regreso al tanque el aceite de salida del

motor.

Los sistemas con mando hidrostático doble tienen combinaciones de bomba y motor para cada

lado de la máquina. Los sistemas de lado derecho e izquierdo comparten los sistemas de

control de la bomba y el motor para regular la velocidad y la dirección del movimiento de la

máquina. Los sistemas derecho e izquierdo tienen controles se parados para facilitar el giro de

la máquina.

Tipos de mando hidrostáticos

Sistema de mando Bucle abierto

Un sistema hidrostático de bucle abierto es uno en el que el aceite de entrada de la bomba se

toma completamente del tanque hidráulico. El aceite de salida de la bomba se envía para

impulsar el motor hidráulico. El aceite de retorno del motor fluye al tanque. El aceite de

retorno puede enviarse a través del enfriador y/o un filtro antes de regresar al tanque. La

combinación de motor de caudal fijo y de bomba de caudal fijo, unidireccional, de bucle

abierto, se usa frecuentemente en los mandos de ventilador hidrostáticos.

Sistema hidrostático de bucle abierto con válvula de control direccional.

Otro tipo de sistema hidrostático de bucle abierto usa una válvula de control direccional para

enviar el flujo de la bomba unidireccional aun motor bidireccional. La válvula de control

direccional permite que una bomba unidireccional impulse el motor a la derecha o a la

izquierda. El sistema hidrostático de bucle abierto con bomba de caudal variable,

unidireccional y motor de caudal fijo, bidireccional, se usa en la mayoría de las excavadoras

Sistema hidrostático de bucle cerrado con motor de caudal fijo y bomba de caudal fijo

Un sistema hidrostático de bucle cerrado es uno en el cual el aceite de retorno del motor se

envía directamente a la entrada de la bomba. Este sistema se usa para impulsar un motor en

un sentido a una velocidad determinada por la velocidad de rotación de la bomba. El sistema

hidrostático de bucle cerrado con motor de caudal fijo y bomba de caudal fijo, unidireccional,

se usa principalmente en aplicaciones industriales.

Sistema hidrostático de bucle cerrado con motor de caudal fijo y bomba de caudal variable

El sistema hidrostático de velocidad variable, unidireccional, de bucle cerrado, se usa cuando la

bomba es impulsada a velocidad constante por una entrada de r.p.m. fija, pero es deseable

una salida de motor variable. La velocidad de salida de motor en este sistema se controla por

medio del ángulo de la placa basculante mediante el aumento o la disminución de caudal de la

bomba. El sistema hidrostático de motor de caudal fijo y bomba de caudal variable,

unidireccional, de bucle cerrado, puede usarse en aplicaciones donde se controla la velocidad

de salida del motor.

El sistema hidrostático puede usarse en el sistema de mando del ventilador de las máquinas de

movimiento de tierra controlando el ángulo de la placa basculante con un termostato. Esto

reduce la velocidad del ventilador cuando el aceite está frío y aumenta la velocidad del

ventilador cuando la aumenta la temperatura del aceite.

Sistema hidrostático de bucle cerrado con motor de caudal variable y bomba de caudal fijo

Una variación del sistema hidrostático de velocidad variable, unidireccional, de bucle cerrado,

sería usar una bomba de caudal fijo con un motor de caudal variable. Cuando el sistema

necesite que la bomba aumente su caudal para aumentar la velocidad del motor, el sistema

hidrostático de motor de caudal variable y bomba de caudal fijo, unidireccional, de bucle

cerrado, requerirá que el motor disminuya su caudal para aumentar la velocidad del motor

Sistema hidrostático de bucle cerrado con motor de caudal fijo y bomba de caudal variable,

bidireccional

Un sistema hidrostático de bucle cerrado con motor de caudal fijo y bomba de caudal variable,

bidireccional, requiere que la bomba permita que la placa basculante vaya "sobre el

centro"."Sobre el centro" significa que la placa basculante puede inclinarse en ambos sentidos

desde el ángulo cero. El ángulo cero significa que la placa basculante está paralela a la cara del

tambor. Las bombas bidireccionales pueden inclinarse a la derecha a un ángulo dado (por

ejemplo, 17 grados), luego, pasar a través del ángulo cero para inclinarse a la izquierda a un

ángulo dado (por ejemplo, 17 grados).La bomba de caudal variable, bidireccional, gira en un

solo sentido. El movimiento de la placa basculante que va "sobre el centro" cambia el orificio

de entrada de la bomba por un orificio de salida. Al mismo tiempo, cambia el orificio de salida

de la bomba por un orificio de entrada. Estos cambios invierten el sentido de rotación del

motor en un sistema hidrostático de bucle cerrado. Esto hace que el sistema sea de salida

bidireccional. El sistema de bucle cerrado con una combinación de motor de caudal fijo y

bomba de caudal variable, bidireccional, se usa en aplicaciones que impulsan máquinas a

velocidades variables infinitas en la dirección de avance y de retroceso

Sistema hidrostático de bucle cerrado con motor de caudal variable y bomba de caudal

variable, bidireccional

Un sistema hidrostático de bucle cerrado, bidireccional, con motor de caudal variable y bomba

de caudal variable, permite el uso de una bomba y motor más pequeños para alcanzar la

misma velocidad máxima del motor. El sistema también tiene la ventaja de poder mantener el

motor en ángulo máximo en la modalidad de trabajo para par de mando máximo y luego

enviar el motor hacia el ángulo mínimo para una velocidad más alta cuando se desplaza en

carretera. Los motores bidireccionales de velocidad variable no van "sobre el centro" para

invertir el sentido de rotación. El sentido de rotación de un motor bidireccional está

determinado por el orificio del motor que recibe el aceite de suministro. El sistema de mando

hidrostático que impulsa la mayoría de máquinas actuales de movimiento de tierra.

Componentes

Un sistema hidrostático consiste en uno o más circuitos independientes. Los componentes que

forman cualquier Sistema hidráulico son:

- El depósito para el fluido.

- Tuberías hidráulicas y mangueras.

- Enfriador

- Filtros y coladeras.

- Bombas hidráulicas.

- Válvulas hidráulicas de control.

- Mandos

- Actuadores (cilindros o motores hidráulicos)

- Sellos y empaques.

- El fluido hidráulico especificado.

Deposito:

Disipar calor por convección, conducción y radiación. Detener las materias extrañas (son

comunes los filtros y coladeras dentro del depósito, pero a veces solo se deja que el sedimento

se acumule en el fondo del depósito).

Separar el aire del sistema (lo que se logra por medio de tabiques deflectores que reducen la

velocidad del aceite dentro del depósito y da mayor oportunidad a que las burbujas de aire

escapen a la superficie.

Tiene una capacidad triple para el aceite que la de los mandos (cuando no se usan dispositivos

de enfriamiento).

Tuberías y conexiones Hidráulicas:

Son tan importantes como cualquier otro componente de los sistemas hidráulicos. Al servir de

medio de transporte del líquido, se convierten en parte integral del sistema. Las tuberías malas

o inadecuadas, cualesquiera que sean las que se usen, reducen no solamente la eficiencia del

sistema, sino también su vida útil. Se dispone de varias clases de tuberías y conexiones y es

indispensable que el mecánico sepa cuáles son las ventajas e inconvenientes de cada tipo.

Bombas:

Las bombas hidrostáticas, también denominadas volumétricas, dan presión al líquido

disminuyendo el volumen de la cámara en la que es contenido. En ellas el caudal suministrado

no varía con la presión, sino que depende de su cilindrada y de su régimen de giro.

Las bombas hidrostáticas pueden ser:

De engranajes: constan de dos engranajes alojados en una carcasa provista de enlaces de

aspiración e impulsión.

Solida

Se adapta a diferentes aceites

Facilidad en el montaje

Elevada capacidad de aspiración

Diversos tamaños

Economía.

Lóbulos o engranajes externos: Se compone de un cuerpo, y en su interior gira un rotor, que

es movido desde el exterior arrastrándolo y formando las cámaras de bombeo.

De paletas: poseen una carcasa y en su interior gira un rotor con paletas en su contorno, las

paletas cumplen la función de delimitar las cámaras y variar el volumen dentro de ellas. A

medida que en movimiento se efectúa van creando vacio que se impulsa hacia la salida cuando

el tamaño de la cámara disminuye.

De pistones: Se conforma principalmente de dos válvulas, una de admisión y otra de

impulsión, dentro del cual un pistón, moviéndose alternativamente, aspira fluido y lo expulsa.

Las bombas de pistones se clasifican en:

De pistones en línea : su funcionamiento se basa en un sistema de biela-manivela con

el que consiguen el movimiento alternativo de los pistones. Es uno de los más simples

pero presentan limitaciones en su velocidad.

De pistones radiales : poseen un bloque de cilindros que gira sobre un pivote

estacionario y los pistones a medida que se desplazan, aspiran y descargan el fluido

De pistones axiales : Su principal característica es que posee una placa inclinada con

bloque de cilindros rotativos, con placa oscilante, con bloques fijos o una placa vertical

con cilindros rotativos.

Mecanismos impulsores giratorios – Motores Hidráulicos:

El motor hidráulico está ampliando su aceptación en los sistemas hidráulicos actuales por que

los fabricantes han aumentado la eficiencia de las bombas y de los motores hidráulicos.

El diseño de los motores hidráulicos y de las bombas es básicamente el mismo. En efecto, la

mayoría de las bombas hidráulicas pueden usarse como motores hidráulicos con muy pocas

modificaciones. El motor hidráulico convierte la corriente líquida y la presión en movimiento

giratorio y en par.

Los motores hidráulicos son los encargados de transformar la energía hidráulica en energía

mecánica. Su construcción es muy parecida a las de las bombas ya que cuentan con dos

enlaces, uno de entrada y otro de salida del aceite y giran en un sentido o en el contrario

según el enlace de entrada de aceite usado. En la mayoría de los motores hidráulicos hay una

salida que corresponde al aceite de drenaje.

El par de los motores hidrostáticos va indefectible unido a una cilindrada o cantidad de fluido

en centímetro cúbicos que requiere para dar una revolución, y a la presión máxima que

soporta, se calcula mediante la siguiente expresión:

M=∆-C-P

Siendo:

- M=par motor

- ∆=constante características del motor

- C=cilindrada

- P=presión de trabajo

Tipos de motores hidráulicos pueden ser:

De engranaje: Semejantes A las bombas constan de dos engranajes acoplados que

giran conjuntamente en el interior de una carcasa, uno de ellos acoplando al eje de

accionamiento.

Sus ventajas son:

- Sencillez

- Tolerancia a las impurezas

- Reducido precio.

Sus desventajas son:

- Bajo rendimiento

- Reducida presiona máxima

- Régimen máximo de giro no es tal alto.

De lóbulos: Semejante a las bombas, permiten obtener altos pares y bajas velocidades

con reducido tamaño

.

De paletas: Los cuales producen energía mecánica al actuar la presión del aceite sobre

las superficies de las paletas colocadas en un rotor, acoplado al eje de accionamiento.

De pistones: Producen trabajo al actuar la presiona sobre los pistones, originando una

rotación del eje. El par es proporcional al área de los pistones y depende del Angulo de

inclinación de la placa.

Uso en diferentes sistemas

Ventilador con accionamiento hidrostático: El accionamiento hidrostático del ventilador consta

en esencia de una bomba hidráulica y un motor hidráulico (maquinas de engranajes de alta

presión o de pistón y una válvula reguladora por temperatura) en la derivación hacia el motor

hidráulico para influir en el numero de revoluciones del motor. La bomba hidráulica es

accionada directamente por el motor a combustión o a través de correas trapezoidales. La

bomba acciona el motor hidráulico acoplando el ventilador.

Transmisión hidrostática: Utilizan caudales reducidos de fluido a alta presión, se puede

considerar que el caudal, para un determinado régimen es constante mientras que la presión y

potencia requeridas son variables. Las transmisiones hidrostáticas en las maquinas utilizan

como fluido aceite y entre sus ventajas se puede destacar una alta capacidad de adaptación

del caudal para las necesidades del usuario, una elevada rapidez de respuesta, una reducida

necesidad de entretenimiento, un bajo costo de mantención, bajo peso, reducido nivel de

espacio, capacidad de generar grandes fuerzas.

Características de los fluidos

El fluido utilizado en los circuitos hidrostáticos además de transmitir potencia, lubrica

las piezas móviles, reduce las fugas y enfría o bien disipa el calor.

Las características que deben satisfacer los fluidos son:

• Elevado poder lubricante

• Bajo poder corrosivo.

• Reducida evaporación.

• Alto punto de ebullición.

• Pequeña capacidad de formación de depósitos.

Además debe cumplir requerimientos tales como: impedir la oxidación, impedir la

formación de lodo, gomas y barniz, reducir la formación de espuma, mantener su

propia estabilidad, tener un alto índice de viscosidad, tener poder anti emulsivo y no

atacar a los elementos constituyentes del circuito.

• La viscosidad es de todas las propiedades de los fluidos hidráulicos la más

importante y se define como la medida de su resistencia a la circulación.

Para medir la viscosidad, Newton realizó un experimento que consistió en medir la

fuerza de arrastre de un cilindro dotado de giro sobre otro colocado en su interior,

teniendo en cuenta la holgura entre las superficies laterales enfrentadas, la dimensión

de las mismas y el tubo de aceite en el que metía ambos cilindros. Demostró que la

fuerza de arrastre originada por el rozamiento es directamente proporcional al tamaño

de las superficies enfrentadas y a su velocidad lineal relativa e inversamente

proporcional a la holgura, lo cual expresó mediante la ecuación:

F = v x ((Sxv)/h))

Siendo:

F = fuerza de arrastre

S = superficie deslizante

v = velocidad relativa de desplazamiento

h = distancia entre superficies deslizantes

ν = constante de proporcionalidad que Newton denominó viscosidad absoluta o

simplemente viscosidad.

a) Viscosidad: Es una medida de la resistencia que opone un líquido a fluir.

b) Tensión superficial: Este fenómeno se presenta debido a la atracción entre

moléculas de un líquido.

c) Cohesión: Es la fuerza que mantiene unidas a las moléculas de una misma sustancia.

d) Adherencia: Es la fuerza de atracción que se manifiesta entre las moléculas de dos

sustancias diferentes en contacto.

e) Capilaridad: Se presenta cuando existe contacto entre un líquido y una pared sólida,

especialmente si son tubos muy delgados llamados capilares.

Ventajas y Desventajas.

Ventajas

Alta capacidad de adaptación del caudal a las necesidades del usuario

Rapidez de repuesta

Bajo costo de mantenimiento

Bajo peso

Reducida necesidad de espacio

Capacidad de generar grandes fuerzas

Debido a las tuberías flexibles, es posible transmitir y distribuir energía a grandes

distancias y lugares diferentes

Desventajas:

Al deteriorarse una pieza es elevado el precio

La presión con la que trabaja es tan alta que si hubiera un obstáculo en la línea podría

reventar un flexible.

Conclusión

En el estudio realizado acerca de los motores y sistemas hidrostáticos se pudo aprender y

concluir, dicho motor trabaja bajos los principios de pascal y Arquímedes, puesto que para

realizar la transformación de energía mecánica-hidráulica e hidráulica-mecánica se necesita

transferir un fluido hidráulico, a través de la bomba y motor, para ellos se necesita la fuerza o

presión del líquido (principio de pascal) y el peso del fluido (principio de Arquímedes). Existen

diversos tipos de sistemas hidrostáticos, se clasifican en dos tipos: circuito cerrado, circuito

abierto

Los cuales existen diversos tipos de circuitos cerrados y abiertos, como el sistema abierto de

bomba de caudal fijo unidireccional-motor de caudal fijo bidireccional. También en el sistema

hidrostático encontramos los siguientes componentes: bombas hidráulicas, tipos de motores,

cañerías, flexibles, válvulas direccionales

Estos sistemas los podemos aplicar en la mecánica automotriz: transmisiones, refrigeración y

siendo sus principales exponentes; CAT, Komatsu, Linder y Toyota.

Dando énfasis a ventajas constructivas del motor, tratándose de un motor ligero, sólido y

compacto. Pudiendo llegar a grandes distancias a través de flexibles, logrando fuerzas

elevadas. La necesidad que lleva a la construcción de un motor hidrostático llego a tal punto

de que se ha mejorado bastante el sistema, habiendo de muchos tipos y aplicaciones que

ayudan a una variada gama de artefactos mecánicos. Desde una maquina cortadora de césped

e incluso llegando a la maquinaria pesada. Como nos dimos cuenta para cada motor y circuito

se necesitara un tipo de aceite distinto, para así satisfacer las necesidades o prioridades de la

tarea a realizar por el motor. Cada uno de los aceites tiene distintas propiedades para lograr un

óptimo funcionamiento dentro del circuito que se tratara. Cabe destacar que la propiedad más

importante de cada aceite es la viscosidad que este tenga ya que determina la búsqueda del

aceite adecuado para nuestro circuito, cosa de lograr una máxima transmisión de fuerza sin

dejar de lado las cualidades lubricantes, aditivas, entre otras. De cada líquido hidráulico.