INSTITUTO TECNOLGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

TEMA:

UNIDAD 6 VOLANTES

MATERIA:

- D I S E O II -

DOCENTE:

ING. GILBERTO DAMIAN LOPEZ

P R E S E N T A:

Arias Tapia Jeremas

Coatzacoalcos., Veracruz.Diciembre del 2014

INDICE

6.1 Volantes 3

6.2 Diagrama de demanda de energa 8

6.3 Energa de transferencia 12

6.4 Dimensionamiento 15

6.5 Materiales para volantes 16

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6.1 VOLANTES

Un volante de direccin (tambin conocido como volante o timn) es un tipo de control de direccin en vehculos.Los volantes se utilizan en todo tipo de vehculos, desde los automviles hasta camiones ligeros y pesados. El volante es la parte del sistema de gobierno que es manipulado por el conductor, generando acciones que son las respondidas por el resto del sistema. Esto se logra a travs del contacto mecnico directo como los racks y el pin, con o sin la ayuda de direccin asistida, EPS, o como en algunos coches modernos de produccin con la ayuda de los motores controlados por computadora, conocido como direccin de energa elctrica. Con la introduccin de la regulacin federal de los vehculos en los Estados Unidos en 1968, FMVSS114, se requiere el bloqueo de la rotacin del volante, para impedir el robo de vehculos de motor. En la mayora de los vehculos esto se logra cuando se elimina la llave del encendido del sistema de encendido (bloqueo de encendido).

En los vehculos ms modernos con frecuencia se incluyen en el volante los mandos a distancia de audio del automvil.

El volante de inercia es, bsicamente, un sistema de almacenamiento de energa mecnica. Su principal caracterstica frente a otros sistemas es la capacidad de absorber y ceder energa en poco tiempo. Es adecuado para sistemas mecnicos de ciclo energtico discontinuo donde el periodo de tiempo sea muy corto, por lo que, tradicionalmente, se ha utilizado en motores y compresores alternativos, prensas y troqueladoras, etc.

En volantes tradicionales la cantidad de energa es menor que en otros sistemas de almacenamiento, pero en las ltimas dcadas se fabrican de materiales compuestos, lo que ha supuesto un aumento notable de su capacidad de almacenamiento. Esta innovacin permite aplicarlos a campos en los que antes era totalmente impensable, por ejemplo, para almacenamiento de energa en automviles, trenes o autobuses, satlites, etc.

Con este nuevo tipo de volantes se superan, en algunos aspectos, los sistemas clsicos de almacenamiento de energa. Por ejemplo, si se comparan con las tradicionales bateras qumicas, los volantes ofrecen mayor potencia energtica, tanto entregada como absorbida.

Los volantes son mquinas o dispositivos que se utilizan para mantener una determinada relacin entre el movimiento de rotacin del eje de una mquina con la potencia que la misma entrega, si bien con funciones distintas y diferenciadas entre s.

Los volantes tienen por finalidad, en virtud de su masa e inercia, uniformar dentro de ciertos lmites, las velocidades en los ejes de las mquinas motrices expuestas a variaciones debido al trabajo motor variable que le es entregado y al momento resistente de la carga.

El volante se define como un elemento mecnico capaz de almacenar energa cintica, usando la inercia restante en un sistema. El volante reduce las variaciones en la velocidad angular, suavizando de este modo las aceleraciones bruscas. En palabras ms sencillas, se puede decir que el volante de inercia se resiste a los cambios en su velocidad de rotacin.

En mecnica, un volante de inercia o volante motor es un elemento totalmente pasivo, que nicamente aporta al sistema una inercia adicional de modo que le permite almacenar energa cintica. Este volante contina su movimiento por inercia cuando cesa el par motor que lo propulsa.

De esta forma, el volante de inercia se opone a las aceleraciones bruscas en un movimiento rotativo. As se consiguen reducir las fluctuaciones de velocidad angular. Es decir, se utiliza el volante para suavizar el flujo de energa entre una fuente de potencia y su carga.

La misin del volante es acumular y liberar energa transitoriamente, acumula energa cintica cuando la velocidad tiende a aumentar sobre su valor de rgimen y la cede cuando tiende a disminuir. De ste modo, la energa cintica de rotacin ser mxima para una velocidad de rotacin determinada, y se consigue que el motor redondee perfectamente.

Un lado del volante de inercia sirve de zona de friccin para el disco de embrague. El centro del embrague en el volante, se realiza mediante pernos- gua o reborde de fijacin.

El lado motor dispone de la sujecin sobre el cigeal y ste a su vez dispone de un retn. En el centro del volante de inercia se localiza el cojinete para introducir la punta del eje primario de la caja de cambios.

Volantes Motor Bi-Masa

Volante Motor Bi-Masa

Este tipo de volante sustituye a los antiguos volantes motor. Tal y como su nombre indica, est constituido por dos masas o elementos (primario y secundario) unidos entre s mediante una unidad amortiguadora de muelles, de forma que ambos pueden girar. La inercia de la masa del conjunto permanece inalterable, pero se consigue una amortiguacin que supera ampliamente al amortiguador de torsin convencional del disco de embrague.

Mediante su utilizacin y como consecuencia de la reduccin de las frecuencias de resonancia, las vibraciones de la cadena cinemtica se reducen ostensiblemente y permite un ajuste ms bajo del rgimen ralent.

Para entender bien la finalidad del volante es necesario entender antes el principio de inercia. La Inercia es un comportamiento comn a todos los cuerpos materiales, y se puede resumir como la resistencia inherente de todos los objetos a los cambios de velocidad y/o en la direccin del movimiento.

Un objeto sin movimiento tiende a mantenerse en reposo, uno en movimiento tiende a conservar ese mismo movimiento y a seguir en la misma direccin. Un ejemplo de inercia lo tenemos cuando frenamos un vehculo violentamente, entonces nuestro cuerpo y cabeza tender a seguir hacia adelante, es decir, que por inercia nuestro cuerpo, que estaba desplazndose anteriormente, quiera seguir desplazndose en la misma direccin luego de la frenada.

Si en cambio nuestro automvil est detenido y arrancamos acelerando bruscamente nuestro cuerpo y cabeza se ir hacia atrs, ya que como dijimos anteriormente un cuerpo en reposo tiende a mantener tambin ese reposo.

La inercia se da obviamente tambin en el motor, el pistn ejerce fuerza de empuje al cigeal solamente durante el ciclo de expansin por lo que para que el cigeal contine girando en los dems ciclos cuando no hay empuje es necesario la existencia del volante, que sencillamente es una rueda pesada colocada a un extremo del cigeal que acumula inercia regulando el movimiento del cigeal.

El cigeal adems sirve de plato de soporte del embrague, para transmitir o no el movimiento del motor.

6.2 DIAGRAMA DE DEMANDA DE ENERGIA

Si se considera una mquina a vapor o de combustin interna mono cilndrica, provista de un mecanismo de biela manivela, cuyo esquema se indica en la figura (Figura 7.3),

Figura 7.3 Mecanismo de biela manivela

la fuerza tangencial T que le imprima el movimiento de rotacin a la manivela, estaba dada por la expresin:

Como T depende de los ngulos , y estos se modifican continuamente, T modifica su intensidad a medida que el botn A de la manivela realiza una vuelta completa. Por tal motivo, su momento de rotacin, dado por la expresin:

Tambin oscilar, pudiendo representarse estas oscilaciones en un diagrama de ejes coordenados como se muestra en la figura (Figura 7.4), con los esfuerzos tangenciales en el eje de ordenadas y en el eje de abscisas del desarrollo de la circunferencia descripta por el botn A de la manivela.

Figura 7.4 Diagrama de ejes coordenados

La superficie comprendida entre la curva de los esfuerzos tangenciales OABCDEO, y la lnea de abscisas e, corresponde al trabajo transmitido o motor Wm realizado por la manivela en una revolucin alrededor del eje O. Este trabajo es posible conocerlo a travs del diagrama que realiza un aparato llamado indicador, el cual se confecciona con los esfuerzos sobre el mbolo y el recorrido del mismo, motivo por el cual tambin se lo denomina trabajo indicado, pudiendo escribirse:

Si se supone que el trabajo resistente Wr, el cual se opone al trabajo Wm desarrollado por el motor, es producido por un esfuerzo resistente medio Tr, se lo podr representar como una superficie rectangular OEFGO de base 2 r sobre el eje de abscisas e, y altura Tr sobre el eje de ordenadas, por lo que se puede escribir:

Estos trabajos deben ser iguales, ya que el trabajo que debe entregar el motor debe ser el necesario para vencer el resistente:

Por lo tanto, ambas superficies tambin debern ser iguales, por lo que se puede escribir:

Es decir que se puede obtener el valor de Tr igualando el segundo miembro con el primer miembro de y haciendo pasajes de trminos, resultando:

Obtenido el valor de Tr se lo traza sobre los mismos ejes coordenados del diagrama del trabajo indicado, con lo que se tiene el rea del trabajo resistente en la misma escala. Analizando las distintas zonas de los diagramas, en el recorrido e= 2 r del botn de la manivela, que dan los trabajos Wm y Wr se observa en la figura (Figura 7.4), que es: 1- Para la zona GO11 es Wr > Wm ; 2- Para la zona1122 es Wm > Wr; 3- Para la zona 22B33 es Wr > Wm; 4- Para la zona 33C44 es Wm > Wr; 5- Para 44DEF es Wr > Wm. Es decir que la mquina acelera en 2 y 4 y desacelera en 1, 3 y 5. Durante el recorrido en el cual es Wm > Wr, el excedente deEnerga lo almacena el volante que se encuentra enclavado en el eje, y lo entrega Cuando es Wr > Wm.

El almacenamiento de la energa que entrega el motor lo realiza, segn se mencionara, debido a la inercia que posee la gran masa rotante del volante, y que fijamente unido al eje de la manivela de la mquina, como se observa en la (Figura.7.5) en la cual se muestra esquemticamente un motor mono cilndrico con su volante, gira a la misma velocidad n que ste.

6.3 ENERGIA DE TRANSFERENCIA DEL VOLANTE

En la figura se tiene se tiene la representacin matemtica de un volante. El volante, cuyo movimiento se mide mediante la coordenada angular , posee un momento de inercia I. Un momento de torsin de entrada Ti, correspondiente a una coordenada i, har que aumente la velocidad del volante.

Y un momento de torsin de carga o salida T0, con la coordenada correspondiente 0, absorber energa del volante y har que pierda velocidad. Si Ti se considera positivo y T0 negativo, la ecuacin del movimiento del volante es:

En general, Ti y T0 pueden depender tanto del valor de los desplazamientos angulares i y 0, como de las velocidades angulares i y 0. Sin embargo, normalmente la caracterstica del momento de torsin depende slo de uno de estos parmetros. As, por ejemplo, el par motor introducido por un motor de induccin depende de la velocidad del mismo. De hecho, los fabricantes de motores elctricos publican, para sus diferentes modelos de motor, grficas en las que se detallan las caractersticas del momento de torsin (o par motor) y de la velocidad.

No obstante, en la realidad el inters no se centra en conocer los valores instantneos de las variables cinemticas, sino en analizar el comportamiento global del volante:

Cul debe ser su momento de inercia?Cmo acoplar la fuente de potencia a la carga para obtener un motor ptimo?Cules son las caractersticas del funcionamiento resultante del sistema?

Se tiene el diagrama de una situacin hipottica:

Muchas de las funciones momento de torsin (par motor) - desplazamiento que se encuentran en las situaciones prcticas de ingeniera son tan complicadas que se deben integrar por mtodos aproximados. Por ejemplo, en la figura, se tiene la grfica que relaciona el momento de torsin y el ngulo de la manivela para un motor de combustin interna de un cilindro y cuatro ciclos. Puesto que una parte de la curva del momento de torsin es negativa, el volante debe devolver parte de la energa al motor.

La integracin aproximada de esta curva para un ciclo de 4 rad da un momento de torsin medio Tm disponible para impulsar una carga.

El algoritmo de integracin ms sencillo es la regla de Simpson; esta aproximacin se puede manejar en cualquier ordenador y es lo suficientemente breve como para emplearse en las calculadoras programables ms pequeas. De hecho, se suele encontrar generalmente como parte de la biblioteca de casi todas las calculadoras y minicomputadoras.

6.4 DIMENSIONAMIENTOUna vez fijado el grado de irregularidad segn el tipo de mquina para el cual se dimensionar el volante, se debe calcular el momento de inercia I del mismo. Este momento de inercia I depender de su forma constructiva, es decir si ser un cilindro macizo o con llanta, radios y cubo. Para todos los casos se debe tener en cuenta el dimetro o radio de inercia o de giro, es decir aquel en el cual se considera concentrada la masa.

Considerando un volante cuya masa se halla concentrada en la llanta, su momento de inercia es:

Donde R es el radio medio de la llanta del volante y m la masa del volante, la que en funcin de su peso es:

6.5 MATERIALES PARA VOLANTESEl diseo de poleas, lleva generalmente a utilizar llantas de dimetro relativamente grandes, a los cuales hay que retirarles importantes volmenes de material. El alto coste asociado a los procesos de fabricacin (mecanizado), as como la dificultad de conseguir materiales laminados de grandes dimetros; hace del moldeo en fundicin gris, el principal proceso de fabricacin de llantas para poleas.

En el diseo de volantes de inercia lo que hace adecuada la utilizacin de la fundicin gris, es por una parte los grandes dimetros de los mismos y por otra la necesidad de acumular la mayor parte de masa en la periferia.

Las fundiciones de hierro utilizadas en la fabricacin de poleas y volantes de inercia, son las fundiciones grises:

Las fundiciones de hierro utilizadas en la fabricacin de poleas y volantes de inercia, son las fundiciones grises: Para el diseo de volantes se eligen los siguientes materiales: acero AISI 4130, aluminio 7075, fibra de vidrio Scotch/epoxi y fibra de carbono T300/2500. Los valores de las propiedades de los cuatro se muestran en la siguiente tabla, donde se aade el uretano, ya que se utiliza como complemento en algunas aplicaciones. Las propiedades que dependen de la orientacin de la fibra incluyen la direccin, L para longitudinal y T para transversal.

Algunos elementos que se fabrican con el material y de acuerdo a las normas antes mencionadas: