UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA...

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO

DE INGENIERO AUTOMOTRIZ

TEMA:

“DETERMINACIÓN E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA

ADECUADO DE FRENOS DE SERVICIO Y

ESTACIONAMIENTO EN EL PROTOTIPO DE BUS

ELÉCTRICO, PROYECTO DEL MINISTERIO DE

ELECTRICIDAD Y ENERGÍA RENOVABLE DEL ECUADOR”.

AUTOR: SANTIAGO ALEXANDER CALDERÓN CARRILLO

DIRECTOR: ING. EDWIN TAMAYO. M.Sc.

Quito – Ecuador

2015

© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2015

Reservados todos los derechos de reproducción

DEDICATORIA

Sin el apoyo de mis padres, la consecución de este objetivo no hubiera sido

posible. A Dios, a mi familia y mi hijo dedico la realización de esta tesis.

“Escucha lo que te mando: Esfuérzate y sé valiente. No temas ni desmayes,

que yo soy el Señor tu Dios, y estaré contigo por donde quiera que vayas.”

Josué 1:9

vi

ÍNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

RESUMEN xix

ABSTRACT xxi

1. INTRODUCCIÓN 1

2. MARCO TEÓRICO 4

2.1. SISTEMA DE FRENOS 4

2.1.1. INSTALACIONES DE FRENOS 4

2.1.1.1. Sistema del freno de servicio 4

2.1.1.2. Sistema de freno auxiliar 5

2.1.1.3. Sistema del freno de estacionamiento 5

2.1.1.4. Sistema de freno continuo 6

2.1.1.5. Sistema electrónico de frenos 6

2.1.2. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS

DE FRENO 7

2.1.2.1. Frenos mecánicos 7

2.1.2.2. Frenos hidráulicos 8

2.1.2.3. Frenos neumáticos 12

2.1.2.4. Frenos eléctricos 16

2.1.3. FRENOS DE DISCO 17

2.1.3.1. Los frenos de sistema rígido 17

2.1.3.2. Los frenos de sistema flotante 18

2.1.3.3. Ventajas de los frenos de

disco 21

vii

PÁGINA

2.1.3.4. Desventajas de los frenos de

disco 21

2.1.3.5. Componentes del sistema de

frenos de disco 21

2.1.4. FRENOS DE TAMBOR 24

2.1.4.1. Ventajas del freno de tambor 25

2.1.4.2. Desventajas del freno de tambor 25

2.1.4.3. Componentes del sistema de frenos

de tambor 25

2.1.5. SERVOFRENO DE PRESIÓN NEGATIVA 28

2.1.5.1. Hidromaster 29

2.1.6. ESTUDIO DEL SISTEMA DE FRENOS 30

2.1.6.1. Fuerzas de frenado 30

2.1.6.2. Tiempos de frenado 37

2.1.6.3. Desaceleración 40

2.1.6.4. Frenado Z 42

3. METODOLOGÍA 44

3.1. SISTEMA DE FRENOS DEL PROTOTIPO DE

BUS ELÉCTRICO 45

3.1.1. DESCRIPCIÓN DEL BUS 45

3.1.2. SITUACIÓN ACTUAL DEL PROTOTIPO DE

BUS ELÉCTRICO 48

viii

PÁGINA

3.1.3. SISTEMA DE FRENOS DEL PROTOTIPO DE

BUS ELÉCTRICO 51

3.1.3.1. Situación de los elementos en el sistema

de frenos del prototipo de bus eléctrico 52

3.1.3.2. Elementos faltantes en el sistema

de frenos del prototipo de bus eléctrico 61

3.2. DISEÑO 64

3.2.1. CÁLCULOS 64

3.2.1.1. Datos recolectados 65

3.2.1.2. Fuerza en la bomba 67

3.2.1.3. Presión líquido de frenos

(baja presión) 69

3.2.1.4. Presión líquido de frenos

(alta presión) 71

3.2.1.5. Presión de la bomba de vacío 75

3.2.1.6. Volumen del tanque de vacío 76

3.2.1.7. Motor eléctrico 77

3.2.2. SELECCIÓN DE ELEMENTOS 79

3.2.2.1. Resumen de valores calculados 79

3.2.2.2. Motor eléctrico 80

3.2.2.3. Tanque de vacío 82

3.2.2.4. Bomba de vacío 83

3.2.2.5. Baterías 85

ix

PÁGINA

3.2.3. UBICACIÓN 86

3.2.3.1. Planos del conjunto 3D 88

3.2.4. ANÁLISIS ESTRUCTURAL DEL CONJUNTO 89

3.2.4.1. Materiales 89

3.2.4.2. Condiciones de funcionamiento 92

3.2.4.3. Pruebas teóricas realizadas 96

3.2.4.4. Resultados 99

3.3. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE FRENOS

AL PROTOTIPO DE BUS ELÉCTRICO 100

3.3.1. ENSAMBLAJE MOTOR – BOMBA 100

3.3.2. INSTALACIÓN DEL TANQUE DE VACÍO 102

3.3.3. INSTALACIÓN MOTOR ELECTRICO - BOMBA

AL BASTIDOR 105

3.3.4. CONEXIÓN DE MANGUERAS DE VACÍO 107

3.3.4.1. Conexión del tanque de vacío

al hidromaster 108

3.3.4.2. Conexión de la bomba al tanque

de vacío 109

3.3.4.3. Conexión de la bomba al

hidromaster 111

3.3.5. INSTALACIÓN MANÓMETRO 112

3.3.6. INSTALACIÓN ELÉCTRICA 113

4. ANÁLISIS DE RESULTADOS 117

x

PÁGINA

4.1. PRUEBAS, RESULTADOS Y ANÁLISIS 117

4.1.1. SISTEMA DE VACÍO APAGADO 117

4.1.1.1. Objetivo 117

4.1.1.2. Procedimiento 118


4.1.1.4. Análisis 119

4.1.2. SISTEMA DE VACÍO ACTIVO 120

4.1.2.1. Objetivo 120



4.1.2.4. Análisis 122

4.1.3. DINÁMICA DE GIRO DE FRENADO 124

4.1.3.1. Objetivo 124



4.1.3.4. Análisis 125

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 128

BIBLIOGRAFÍA 130

ANEXOS 134

xi

ÍNDICE DE TABLAS

PÁGINA

Tabla 1. Características generales del

Isuzu FSR 450 Short 46

Tabla 2. Características del motor Isuzu 6BD1 47

Tabla 3. Selección del motor eléctrico 78

Tabla 4. Resumen de los valores calculados 79

Tabla 5. Motores eléctricos en el mercado 80

Tabla 6. Bombas de vacío en el mercado 84

Tabla 7. Propiedades material del motor 90

Tabla 8. Propiedades material del acople 90

Tabla 9. Propiedades material de la bomba 91

Tabla 10. Propiedades material de la estructura

de fijación 92

Tabla 11. Momento 93

Tabla 12. Gravedad 94

Tabla 13. Presión 95

Tabla 14. Resumen de resultados 99

Tabla 15. Especificaciones Perno hexagonal

grado 8.8 rosca métrica 103

Tabla 16. Características técnicas broca de

metal HSS-R D-38467 105

xii

PÁGINA

Tabla 17. Características manguera H100 108

Tabla 18. Características cable de baterías 114

Tabla 19. Resultados prueba 1 119

Tabla 20. Resultados prueba 2 122

xiii

ÍNDICE DE FIGURAS

PÁGINA

Figura 1. Freno de servicio hidráulico 4

Figura 2. Freno de estacionamiento 5

Figura 3. Frenos abs 6

Figura 4. Esquema freno mecánico 7

Figura 5. Esquema freno hidráulico 9

Figura 6. Ley de Pascal 10

Figura 7. Puntos de ebullición líquidos de freno 11

Figura 8. Viscosidad líquido de freno DOT3 12

Figura 9. Esquema del sistema de frenos neumático 13

Figura 10. Sistema de frenos de aire comprimido 14

Figura 11. Instalación de circuito doble 15

Figura 12. Ralentizador eléctrico 17

Figura 13. Esquema frenos de disco con porta pinza

flotante posición reposo 18

Figura 14. Esquema frenos de disco con porta pinza

flotante posición de frenado 19

Figura 15. Esquema frenos de disco con pinza flotante 20

Figura 16. Pinza flotante 20

Figura 17. Esquema componentes freno de disco 24

Figura 18. Esquema componentes freno de tambor 27

Figura 19. Servofreno de presión negativa 28

Figura 20. Hidromaster 29

Figura 21. Fuerzas de fricción del automóvil 31

xiv

PÁGINA

Figura 22. Valores del coeficiente de rozamiento estático μs 32

Figura 23. Fuerzas en el pedal del freno 33

Figura 24. Diámetros de la bomba y bombín 34

Figura 25. Fuerzas y presiones en el circuito

hidráulico de frenos 35

Figura 26. Fuerzas de rozamiento en el tambor 36

Figura 27. Diagrama tiempos de frenado 40

Figura 28. Desempeño del motor Isuzu 6BD1 47

Figura 29. Neumático 8.25R - 16lt 12ply (Dunlop Highway) 48

Figura 30. Montaje de la caja al motor eléctrico 49

Figura 31. Estructura metálica para el banco de baterías 49

Figura 32. Grupo electrógeno y motor eléctrico 50

Figura 33. Cargador de batería e inversor 50

Figura 34. Esquema hidráulico sistema de frenos 52

Figura 35. Pedal del freno 53

Figura 36. Bomba de frenos 54

Figura 37. Bomba de frenos desmontada 54

Figura 38. Cañerías de la bomba de frenos 55

Figura 39. Cañerías de las ruedas vista lateral 56

Figura 40. Cañerías de las ruedas vista superior 56

Figura 41. Hidromaster 57

Figura 42. Tambor 58

Figura 43. Tambor vista interior 58

Figura 44. Zapatas 59

xv

PÁGINA

Figura 45. Zapatas desmontadas 60

Figura 46. Cilindro de la rueda 60

Figura 47. Pistón de la rueda 61

Figura 48. Bomba de vacío Nissan 62

Figura 49. Tanque de vacío 63

Figura 50. Tanque de vacío Isuzu 63

Figura 51. Esquema de las fuerzas, presiones y

diámetros del sistema de frenos 66

Figura 52. Fuerzas en el pedal del freno 67

Figura 53. Esquema de presiones del líquido

de frenos y vacío 70

Figura 54. Fuerzas que actúan en la zapata 73

Figura 55. Dimensiones tanque de vacío 76

Figura 56. Motor eléctrico LEESON 81

Figura 57. Especificaciones motor eléctrico LEESON 82

Figura 58. Tanque de vacío reparado 83

Figura 59. Bomba de vacío elegida para el nuevo sistema 85

Figura 60. Batería del banco del autobús 86

Figura 61. Baterías conectadas en serie 86

Figura 62. Espacio para la instalación del

sistema vista frontal 87

Figura 63. Espacio para la instalación del

sistema vista superior 87

xvi

PÁGINA

Figura 64. Diseño 3D sistema de frenos autobús

vista superior 88

Figura 65. Diseño 3D sistema de frenos autobús

vista lateral 88

Figura 66. Diseño 3D del sistema a implementar 89

Figura 67. Momento aplicado en el nuevo sistema 93

Figura 68. Fuerza de la gravedad aplicada en el

nuevo sistema 94

Figura 69. Presión aplicada en la placa de fijación

del nuevo sistema 95

Figura 70. Tensión máxima 96

Figura 71. Desplazamiento 97

Figura 72. Coeficiente de seguridad 98

Figura 73. Fabricación eje estriado 101

Figura 74. Alza donde se maquinará el acople

de la bomba y motor 101

Figura 75. Estriado de la bomba de vacío 102

Figura 76. Características perno hexagonal

grado 8.8 rosca métrica 103

Figura 77. Instalación tanque de vacío 104

Figura 78. Tanque de vacío fijado al bastidor

del autobús 104

Figura 79. Instalación conjunto motor bomba

vista frontal 106

xvii

PÁGINA

Figura 80. Instalación conjunto motor bomba

vista posterior 107

Figura 81. Instalación manguera del tanque

de vacío al hidromaster 109

Figura 82. Instalación manguera de la bomba

al tanque de vacío 110


al tanque de vacío 110


al hidromaster 111

Figura 85. Instalación manómetro 113

Figura 86. Instalación breaker 115

Figura 87. Instalación eléctrica 116

Figura 88. Manómetro en cero prueba 1 120

Figura 89. Manómetro en la prueba 1

marcando 8Bar 120

Figura 90. Manómetro en cero prueba 2 123


marcando 30Bar 123


marcando 38Bar 124

Figura 93. Giro de rueda 126

Figura 94. Rueda frenada 126

xviii

ÍNDICE DE ANEXOS

PÁGINA

ANEXO I 134

Acta de entrega recepción del sistema

implementado en el autobús

ANEXO II 135

Plano acople de la bomba

ANEXO III 136

Plano bomba de vacío

ANEXO IV 137

Plano eje de la bomba

ANEXO V 138

Plano motor eléctrico

ANEXO VI 139

Plano estructura de fijación

xix

RESUMEN

El prototipo de bus eléctrico es un proyecto del Ministerio de Electricidad y

Energía Renovable del Ecuador. En el presente trabajo monográfico, se

determinó, diseñó e instaló el nuevo sistema de vacío para el funcionamiento

del sistema de frenos de este bus.

Se implementó el sistema por medio de un motor eléctrico de corriente

continua al cual se acopló una bomba de vacío, se instaló un tanque de

vacío por seguridad y se colocó un manómetro para realizar las pruebas de

funcionamiento.

Se inició con un estudio de los diferentes sistemas de frenos, sus

componentes, características y funcionamiento, posteriormente se realizó

una descripción del bus, el estado en el que fue hallado, y se realizó una

inspección de todos los elementos que conforman el prototipo de bus

eléctrico.

Se procedió al diseño del nuevo sistema de frenos que se implementó en el

prototipo de bus eléctrico, se determinaron los elementos y materiales

adecuados para la construcción del sistema en función de cálculos de fuerza

y presión necesarios para detener al prototipo de bus eléctrico, así como

también simulaciones de resistencia y análisis estructural de los materiales

que se utilizaron. Establecido así el diseño del sistema se procedió a su

implementación y finalmente se realizaron las pruebas donde se determinó

que el nuevo sistema de frenos implementado al prototipo de bus eléctrico

está funcionando correctamente y que los elementos y materiales utilizados

son los adecuados.

El proyecto se lo desarrolló en conjunto con el Ministerio de Electricidad y

Energía Renovable, una vez que se instaló el sistema y se demostró su

perfecto funcionamiento se entregó el mismo en un acto en el que estuvieron

presentes docentes de la Universidad Tecnológica Equinoccial y el

xx

representante del Ministerio el Ingeniero Mario Bermúdez encargado del

proyecto del prototipo de bus eléctrico, quien por medio de un acta de

entrega y recepción que se observa en el anexo I, oficializó la culminación

exitosa del proyecto de tesis.

xxi

ABSTRACT

The electric prototype bus is a project of the Ministerio de Electricidad y

Energía Renovable del Ecuador. In this monograph, it was determined,

designed and installed the new vacuum system for the operation of the brake

system of the bus.

The system was implemented by a DC electric motor in which a vacuum

pump was coupled, a vacuum tank was installed for safety and a gauge

placed for testing operation.

It began with a study of the different braking systems, components, features

and performance, then a description of the bus, the state in which it was

found, and an inspection of all elements of the electric prototype bus was

performed.

We proceeded to design the new brake system that was implemented in the

electric prototype bus, elements and materials to build the system were

determined based on calculations of force and pressure needed to stop the

electric prototype bus, as well as simulations of strength and structural

analysis of the materials used. Established the system’s design we

proceeded to the implementation and finally the tests of the system were

made and it was determined that the new braking system implemented in the

electric prototype bus was working properly and that the elements and

materials used were appropriate.

The project was developed in conjunction with the Ministerio de Electricidad y

Energía Renovable del Ecuador, once the system was installed and

demonstrated that it is working the same was delivered in a ceremony which

was attended by teachers from the Universidad Tecnológica Equinoccial and

the representative of the Ministry Engineer Mario Bermudez the manager of

the electric prototype bus project, who through an act of giving and receiving

that is seen in Appendix I, officially and successfully complete the thesis

project.

1. INTRODUCCIÓN

1

Debido al elevado consumo de energía proveniente de la utilización de

combustibles fósiles y la consecuente producción de contaminación

ambiental por emanaciones de CO2 que genera el sector del transporte en

nuestro país, el Ministerio de Electricidad y Energía Renovable ha

establecido la necesidad de proponer alternativas de solución para enfrentar

la problemática y se disminuya dicho consumo. Para el efecto, ha

estructurado el proyecto denominado “Uso de Nuevas Tecnologías en el

Transporte Urbano”, que según el Informe sobre la Fabricación del Prototipo

de Bus Híbrido, “contempla tres etapas, estudios de pre factibilidad, el

mismo que incluye la fabricación de un prototipo de bus híbrido, la segunda

etapa es un estudio de factibilidad que permitirá determinar si es

conveniente producir en serie estos buses híbridos en el Ecuador y la tercera

etapa consiste en la introducción de esta nueva tecnología en el transporte

público y pesado del Ecuador”. (Bermudez, 2010)

Al momento se está ejecutando la primera etapa del proyecto es decir la

construcción del prototipo de bus híbrido.

El prototipo de bus hibrido fue adaptado en un bus marca Bottar del año

1988, se procedió a reemplazar su motor original de combustión interna

(diesel) por un motor eléctrico de corriente alterna de 4 polos tipo jaula de

ardilla, marca ABB, de 75 kW de potencia a 1800 rpm y un torque de 402

Nm.

Se ha acoplado en la caja de cambios del bus el motor eléctrico y así

también se ha dispuesto de un grupo electrógeno como un sistema

emergente de carga eléctrica.

En diciembre del 2009 se adquirió e instaló nueva carrocería que permitirá

mayor versatilidad al momento del armado del sistema y se realizaron

pruebas.

Quedan por tanto pendientes el desarrollo y adquisición de varios elementos

y sistemas sin los cuales el proyecto no podrá ser utilizado, y uno de estos

sistemas faltantes es el de propulsión de la bomba de vacío del freno, es

2

decir al momento el prototipo de bus hibrido no posee un sistema de frenos

de servicio y estacionamiento, dando paso al desarrollo del presente trabajo

monográfico.

El sistema de frenos hidráulico necesita para su funcionamiento un

servofreno el cual es un sistema neumático, que aprovecha el vacío

generado en el múltiple de admisión del motor de combustión interna para

disminuir el esfuerzo que hace el conductor con su pie sobre el pedal del

freno.

El bus eléctrico, como su nombre lo indica funciona por acción de un motor

eléctrico el cual no posee un múltiple de admisión del cual podamos obtener

el vacío necesario para el funcionamiento de nuestro servofreno como

normalmente se tiene en un motor de combustión interna, por lo que se

deberá instalar una bomba de vacío que realice dicho trabajo.

Con el problema establecido tenemos la necesidad de buscar la solución

más eficiente. Iniciando así un proceso de investigación en el cual

determinaremos el método adecuado para la instalación de una bomba de

vacío que nos permita un frenado seguro y cómodo para el usuario.

De esta manera se planteó como objetivo general del presente trabajo

monográfico el “Determinar e implementar el sistema adecuado de frenos de

servicio y estacionamiento en el prototipo de bus eléctrico, proyecto del

Ministerio de Electricidad y Energía Renovable”.

Como objetivos específicos se decidió: Realizar un análisis y estudio del

estado actual del sistema de frenos del prototipo de bus eléctrico.

Elaborar un informe técnico para la implementación del sistema de frenos del

prototipo de bus eléctrico.

Elegir los elementos y materiales adecuados que formarán el nuevo sistema

de frenos del prototipo de bus eléctrico.

http://es.wikipedia.org/wiki/Vac%C3%ADo

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Colector_de_admisi%C3%B3n&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_explosi%C3%B3n

3

Realizar pruebas al sistema implementado para determinar su buen

funcionamiento y eficacia en el frenado.

2. MARCO TEÓRICO

4

2.1. SISTEMA DE FRENOS

Es el conjunto de elementos que componen las instalaciones de freno de un

vehículo, que sirven para disminuir la velocidad del vehículo si este se

encuentra en movimiento, llevándolo al reposo así como también mantenerlo

en ese estado si ese fuera el caso.

2.1.1. INSTALACIONES DE FRENOS

2.1.1.1. Sistema del freno de servicio

Le permite al usuario disminuir la velocidad del vehículo de manera gradual

o total cuando este se encuentre en funcionamiento.

Figura 1. Freno de servicio hidráulico

(Zepeda, 2014)

5

2.1.1.2. Sistema de frenos auxiliar

Como su nombre lo indica este sistema permitirá la reducción de la

velocidad de un vehículo en caso de existir una avería con el freno de

servicio.

2.1.1.3. Sistema del freno de estacionamiento

Su función es la de mantener al vehículo inmóvil por medios mecánicos, así

este se encuentre sobre una pendiente, y primordialmente en ausencia del

conductor.

Figura 2. Freno de estacionamiento

(Castillo, 2013)

6

2.1.1.4. Sistema de freno continuo

Conjunto de componentes que tienen como función disminuir la velocidad

del vehículo sin que exista desgaste en los elementos de fricción, permite así

mismo mantener una velocidad casi constante al descender una pendiente.

Este tipo de instalación puede contener uno o más retardadores.

2.1.1.5. Sistema electrónico de frenos

El control de este tipo de frenos se genera y procesa como una señal

eléctrica en la transmisión de control. Una señal eléctrica de salida controla

los componentes que generan la fuerza de apriete.

Figura 3. Frenos abs

(Gomez, 2012)

7

2.1.2. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE FRENO

De acuerdo a la forma en que son accionados se clasifican en:

2.1.2.1. Frenos mecánicos

Figura 4. Esquema freno mecánico

(Marquez, 2014)

La fuerza aplicada al pedal por el conductor es transmitida a las zapatas de

las diversas ruedas, por medio de varillas o cables, logrando de esta forma

abrirlas y trabar los tambores de las ruedas.

Este era el sistema de frenos más utilizado hace algunos años pero debido a

que en la actualidad los automóviles desarrollan mayores velocidades,

además de la dificultad de mantener la presión constante en el frenado de

las ruedas se desarrollaron otro tipo de sistemas.

8

2.1.2.2. Frenos hidráulicos

Son aquellos en los que la transmisión del esfuerzo de frenado aplicado al

pedal de frenos se da por medios hidráulicos, para hacer actuar a los

elementos de frenado.

Por lo general un sistema de frenos hidráulicos es un sistema asistido por el

servofreno el cual tiene como función aliviar el esfuerzo del conductor,

logrando una fuerza mayor de aplicación.

Puede ser servofreno por vacío que es el tipo más usado, o también del tipo

hidráulico, eléctrico, por aire comprimido y mixto o integrales.

Al accionar el pedal de freno actúa la bomba de freno que envía líquido a

presión por las cañerías de freno, hasta los cilindros de las ruedas; los

pistones de cada cilindro son desplazados hacia fuera, presionando las

zapatas y cerrando las mordazas respectivamente contra la superficie de

trabajo del tambor y disco de freno.

Al soltar el pedal la presión del líquido disminuye; y los elementos de frenado

de las ruedas vuelven a su posición inicial, regresando el líquido del cilindro

hacia la bomba.

Los elementos constitutivos del sistema de freno hidráulicos se observan en

la figura 5.

9

Figura 5. Esquema freno hidráulico

(Palomares, 2013)

Este sistema de frenos fundamenta su funcionamiento en dos principios

básicos de la física:

Principio de Pascal

La Fricción

Principio de Pascal

La presión ejercida sobre la superficie de un líquido contenido en un

recipiente cerrado se transmite a todos los puntos del mismo con la

misma intensidad. (Física Práctica, 2007)

Se expresa matemáticamente en la formula [1].

F1

A1=

F2

A2=

F3

A3 [1]

http://www.fisicapractica.com/presion.php

10

Figura 6. Ley de Pascal

(Manual Práctico del Automóvil reparación y mantenimiento, 2008)

"Durante una aplicación típica de frenos solo se desplaza aproximadamente

5 ml de fluido de frenos desde el cilindro maestro hasta el interior del sistema

hidráulico para que ocurra la acumulación de presión." (Villar, 2006)

Fricción

La ley de conservación de la energía establece que “La energía no se crea ni

se destruye, sólo se transforma”. Cuando un vehículo se encuentra en

movimiento tiene una cierta energía cinética y para lograr detenerlo

transformaremos dicha energía cinética en calor por medio de la fricción, que

es la fuerza que se opone al movimiento entre dos objetos que se

encuentran en contacto.

11

Líquido de freno

"El líquido de freno es un líquido hidráulico que gracias al principio de Pascal

permite la transmisión de fuerza entre el pedal de freno y los dispositivos de

freno. Se trata de un aceite muy fluido (SAE 5), y su especificación es

mediante el índice DOT (Department Of Transportation), que a medida que

este aumenta también lo hace el punto de ebullición. Están elaborados a

base de glicoles (excepto el DOT 5), muy perjudiciales para la pintura."

(Velasco, 2010)

Las principales características buscadas en un líquido de freno son:

Punto de ebullición alto.

Punto de congelación alto.

No dañar las partes de hule que componen el sistema de frenos.

Figura 7. Puntos de ebullición líquidos de freno

(Velasco, 2010)

12

Figura 8. Viscosidad líquido de freno DOT3

(Bosch, Líquido de frenos, 2012)

2.1.2.3. Frenos neumáticos

En los sistemas de frenado con transmisión neumática, para trasmitir la

fuerza de frenado aplicada al pedal de freno, se ocupa aire comprimido a

una cierta presión. El aire comprimido es el que actúa sobre los elementos

de frenado. Los elementos constitutivos del sistema de freno se observan en

la figura 9.

13

Figura 9. Esquema del sistema de frenos neumático

(Incolbest, 2008)

Circuito de frenado principal

En el esquema que se observa en la figura 10, el aire absorbido por el

compresor (1) ingresa al sistema y pasa por la unidad de mantenimiento (2),

continua su trayecto hasta el depósito de aire I (3), en el momento que el

pedal es accionado por parte del usuario una electro válvula (7) permite que

el aire se dirija hacia la válvula repartidora (8), esta deja pasar el aire al

pulmón posterior (9), donde se acciona el diafragma principal moviendo la

palanca de empuje, la cual a su vez mueve la palanca de desplazamiento de

las zapatas mediante la leva. Al momento que el pedal es accionado el aire

pasa también al pulmón delantero (13) originando el accionamiento de la

palanca de desplazamiento de las zapatas delanteras mediante la leva.

14

Circuito de parqueo

Como se observa en la figura 10 del primer depósito de aire, hay una

conexión hacia un manómetro (11) y además a una válvula manual de

parqueo (10), en el momento que esta es accionada permite el paso del aire

hacia la electro válvula (7) y después hacia la válvula repartidora (8),

moviendo internamente el diafragma y desplazando la palanca que gira la

leva de las zapatas posteriores produciendo el frenado.

Figura 10. Sistema de frenos de aire comprimido

(Zhañay, 2011)

Circuito doble de frenos de aire comprimido

Lo que busca este tipo de instalación es brindar mayor seguridad, y lo que

hace es dividir en dos circuitos de frenado, donde cada uno tiene su depósito

de aire comprimido así como también su válvula de frenado propia, como se

observa en la figura 11.

15

Figura 11. Instalación de circuito doble

(Zhañay, 2011)

Por lo tanto la válvula de frenado tiene dos válvulas análogas, que actúan

independientemente una de otra. Ambas son accionadas simultáneamente

por el pedal.

16

En caso del fallo de un circuito de frenado, se cierra una válvula y el aire

transmitido por el compresor se dirige únicamente hacia el depósito de la

otra línea.

2.1.2.4. Frenos eléctricos

Es un dispositivo que permite reducir la velocidad o detener un vehículo

mediante accionamiento eléctrico. Por la forma de aplicar la electricidad se

pueden distinguir dos tipos de sistemas:

Freno eléctrico

El mando del dispositivo lo realiza por un controlador destinado a dosificar la

intensidad de la corriente que circula en las bobinas del electroimán.

Consiste en hacer actuar los elementos de frenado por medio de la

aplicación proporcional de un actuador. Esto se consigue dosificando la

corriente gracias a una resistencia eléctrica.

Ralentizador eléctrico

"Es un elemento de seguridad activa instalado en la línea motriz del

vehículo. Su instalación puede realizarse a la salida de la caja de cambios,

intercalado entre dos tramos de transmisión o sobre el puente diferencial del

eje motriz del vehículo.

Su función es reducir la velocidad del vehículo y evitar que éste se acelere

cuando no es necesario. Su principal utilización está en los descensos y en

17

los tramos de carretera con curvas pronunciadas. Los ralentizadores

eléctricos son aparatos que se basan en el aprovechamiento de las

corrientes parásitas o de Foucault que se crean en masas metálicas macizas

al girar dentro de un campo magnético uniforme." (Superfren, 2012)

Figura 12. Ralentizador eléctrico

(Frenelsa, 2009)

2.1.3. FRENOS DE DISCO

Existen dos grandes grupos utilizadas en el montaje de frenos de disco:

2.1.3.1. Los frenos de sistema rígido

En cada una de las dos mitades de la carcasa de un disco de pinza fija se

encuentra un émbolo o pistón al cual se aplica presión hidráulica la frenar.

18

Los émbolos presionan, por ambos lados, las pastillas del freno contra el

disco. Al soltar el freno, los émbolos se retraen en determinada medida por

las juntas de embolo conformadas. Por tanto no es necesario el reglaje o

ajuste de los frenos de disco.

2.1.3.2. Los frenos de sistema flotante

Mediante este sistema existen dos tipos:

Porta pinza flotante

La pinza solidaria de accionamiento lleva dos pistones. Uno acciona

directamente sobre una de las pastillas de freno, el otro acciona sobre la otra

pastilla por medio de la porta pinza.

Figura 13. Esquema frenos de disco con porta pinza flotante posición reposo


19

Figura 14. Esquema frenos de disco con porta pinza flotante posición de frenado


Pinza flotante

"Este es el montaje más utilizado: la presión hidráulica empuja en una

primera fase la pastilla de freno contra el disco por medio del pistón. En una

segunda fase, el pistón no puede avanzar más y es el estribo el que se

desplaza por reacción y empuja la segunda pastilla contra el disco." (Manual

Práctico del Automóvil reparación y mantenimiento, 2008)

20

Figura 15. Esquema frenos de disco con pinza flotante


Figura 16. Pinza flotante


21

2.1.3.3. Ventajas de los frenos de disco

• Mayor resistencia al desvanecimiento debido a que el rotor y las pastillas

son instaladas en una posición en la que el aire enfría rápidamente las

partes, más del 80% del rotor se encuentra expuesto al aire.

• Pueden frenar estando mojados.

2.1.3.4. Desventajas de los frenos de disco

• Los frenos de disco no tienen la característica de reforzar la energía

aplicada a ellos, por consiguiente requieren mayor presión entre las

pastillas y el rotor, que la requerida por los frenos de tambor.

• Las partes de los frenos de disco están más propensos a ensuciarse,

corroerse o golpearse debido a su mayor exposición.

2.1.3.5. Componentes del sistema de frenos de disco

Según (Villar, 2006) los componentes del sistema de frenos de disco son:

El disco

Es el elemento giratorio que recibe la presión de las pastillas para ejecutar la

acción de detener las ruedas. Se encuentra sujeto al conjunto de la rueda

por medio de espárragos de la rueda. El disco o rotor está diseñado para ser

un disipador de calor, su composición es similar a la del tambor de frenos.

22

Mordazas

Los primeros frenos de disco de carros americanos contenían cuatro

pistones, dos de cada lado de los rotores, a esto se llamaba mordaza fija. El

anillo “o” o sello de la mordaza, actúa como resorte de recuperación del

pistón.

Perno de montaje

Se encarga de sujetar la mordaza a la base del rotor para que ésta se

mantenga fija y ejerza su función correctamente.

Pastilla

Es el material de fricción encargado de detener el movimiento del rotor.

Perno pasador guía de mordaza

Es el encargado de guiar el montaje de la mordaza.

Indicadores de desgaste

Los hay de dos tipos mecánico y eléctrico, e indican el desgaste de la

pastilla.

23

Indicadores de desgaste mecánicos

Uno lo indica por medio de una ranura en la pastilla. Cuando la ranura no se

ve, la pastilla debe cambiarse. El otro es mecánico y hace contacto con el

rotor, ocasionando un ruido que indica que la pastilla está desgastada.

Indicadores de desgaste eléctricos

Funcionan mediante un alambre que conduce a un sensor en el borde de la

pastilla de fricción. Cuando ésta se desgasta hasta el punto de reemplazo, el

sensor eléctrico hace contacto con el rotor de frenos y se completa el circuito

eléctrico, encendiéndose una luz indicadora.

Clavijas de retención de pastillas y placas

Detienen el conjunto de las pastillas en forma tal que se evite una vibración

durante la acción de frenado.

Pistón de la mordaza

Su función es moverse mediante presión hidráulica para hacer que las

pastillas hagan contacto con el rotor solo lo suficiente para que se deforme el

sello de la mordaza y regrese a su posición original una vez que se libera el

pedal del freno.

24

Figura 17. Esquema componentes freno de disco

(Villar, 2006)

2.1.4. FRENOS DE TAMBOR

"El mando de frenos tendrá por misión separar las zapatas y poner en

contacto las guarniciones con el tambor. La recuperación es efectuada por

un muelle.

En movimiento el tambor tiene tendencia a arrastrar las zapatas. Por esto la

zapata primaria va a sostenerse sobre su articulación de modo que

aumentara el rozamiento y por tanto la frenada. Esto es el fenómeno de

arrastre.

Por el contrario, la zapata secundaria tendrá tendencia a ejercer menos

presión sobre el tambor: esto es por lo que generalmente la guarnición

secundaria es más corta." (Manual Práctico del Automóvil reparación y

mantenimiento, 2008).

25

2.1.4.1. Ventajas del freno de tambor

Son comúnmente conocidos por todos los mecánicos en el ramo de

servicio.

Se tienen disponibles las partes de más uso.

Se requieren pocas herramientas o equipos especiales y de

requerirse, son de bajo costo.

Es fácil usar el freno de estacionamiento y darle servicio junto con los

frenos de tambor.

2.1.4.2. Desventajas del freno de tambor

Este sistema tiene algunos inconvenientes:

Desgastes desiguales.

Esfuerzos desproporcionados.

Aumentos de recorrido para el sistema de mando.

2.1.4.3. Componentes del sistema de frenos de tambor

Según (Villar, 2006) los componentes del sistema de frenos de tambor son:

El tambor

Se construye de hierro colado en el punto donde las zapatas hacen contacto

con él y su centro es de acero dulce. El hierro colado contiene

aproximadamente 3% de carbono y hace el tambor duro pero frágil por lo

anterior es recomendable que si se va a golpear el tambor a la hora de

desmontarlo sea en el centro de acero dulce ya que este material puede

26

recibir esta fuerza sin sufrir daño. El contenido de carbono de 3% del hierro

colado actúa también como un lubricante que evita el ruido durante el

frenado, permitiendo además que la superficie de fricción se pueda rectificar

sin el uso de fluido de enfriamiento. También se utilizan los tambores de

freno de aluminio con hierro colado para el área de fricción, estos poseen las

ventajas de ahorrar peso y transferir calor al aire circundante con más

rapidez que el hierro colado y el acero.

Frenos de estacionamiento

Se puede aplicar ya sea con una palanca manual o con un pedal. Algunos

frenos de estacionamiento accionados con el pie utilizan un mecanismo de

trinquete que requiere que el conductor oprima el pedal varias veces para

poder aplicarlo. Este tipo de freno mecánico se conoce como de bombear

para fijar. El mecanismo de pedal o de palanca se proyecta para aplicar la

fuerza requerida sobre el freno de estacionamiento usando el esfuerzo

normal del conductor. Los frenos de estacionamiento se traban dentro de

una ranura o muesca que lo mantiene aplicado hasta que se libere.

Cilindro auxiliar o cilindro de rueda

Su función es expandir la zapata para que entre en contacto con el tambor.

Para este propósito, está provista de un doble pistón que recibe la presión

hidráulica. Una vez ejecutada la función, un resorte devuelve los pistones a

su posición normal.

27

Zapata

Es la encargada de detener la rueda mediante la presión que ejerce sobre la

superficie de fricción del tambor. Se encuentra sujeta por unos pasadores u

opresores en su parte central y por una palanca de apoyo.

Resortes de recuperación

Su trabajo es recuperar la posición original de la zapata, cuando se libera la

presión sobre el pedal de frenos. Son tres, dos se encuentran sujetos a los

cilindros en la parte superior y uno se encuentra en el ajustador de frenos.

Ajustador de frenos

Se encargan de ajustar las zapatas de freno para su mejor rendimiento.

Figura 18. Esquema componentes freno de tambor

(Villar, 2006)

28

2.1.5. SERVOFRENO DE PRESION NEGATIVA

Es el más utilizado debido a su fácil construcción y su menor costo.

“En este tipo de sistema la superficie de la membrana del lado del pedal es

presionada con aire comprimido exterior, en función de la fuerza del pedal,

mientras que en el otro lado de la membrana sigue habiendo presión

negativa.” (Bosch, Manual de la Técnica del Automóvil, 2005) La fuerza

resultante de la diferencia de presión actúa en conjunto con la que se aplica

del pedal.

Figura 19. Servofreno de presión negativa

(Bosch, Manual de la Técnica del Automóvil, 2005)

29

2.1.5.1. Hidromaster

Es una unidad de servofreno de vacío el cual permite una gran multiplicación

de la fuerza hidráulica de frenado. Es muy similar al sistema Master –Vac ya

que utiliza la diferencia de presión atmosférica y una negativa generando así

una acción de servo.

El hidromaster consiste en una carcasa cilíndrica, un pistón de trabajo, un

resorte antagónico, el montaje de un cuerpo de válvulas y un pistón

hidráulico.

Figura 20. Hidromaster

(Izusu, 2001)

El hidromaster está equipado con sistemas hidráulicos que multiplican la

presión hidráulica aplicada a los cilindros de las ruedas cuando el pedal está

presionado. Utiliza la presión negativa producida por una bomba de vacío

para mayor confiabilidad.

30

2.1.6. ESTUDIO DEL SISTEMA DE FRENOS

2.1.6.1. Fuerzas de frenado

Las fuerzas de frenado que intervienen en el momento de detener el

automóvil se las considera en dos instantes:

Al momento de presionar el pedal del freno, la fuerza de frenado es

transmitida hacia los cilindros que a través del sistema zapata- tambor o

pastilla- disco, permiten el rozamiento entre estos elementos logrando así

que la rueda se detenga.

La fuerza de rozamiento que se produce entre el neumático y el suelo,

después que la ruedas hayan sido detenidas por el sistema de frenos.

Se debe notar que para poder detener el vehículo se produce una fuerza de

rozamiento entre los elementos del freno que detendrán la rueda y entre el

neumático y el suelo que será la fuerza que detiene el automóvil.

Fuerza de fricción estática

En condiciones ideales las superficies en contacto de dos cuerpos son lisas

permitiendo así que la fuerza de interacción de estos cuerpos actué siempre

en dirección normal a la superficie en el punto de contacto de los cuerpos.

En la práctica sabemos que todas las superficies tienen rugosidades, por lo

que se debe considerar que los cuerpos soportan fuerzas tangenciales y

normales en sus superficies de contacto.

La fuerza que actúa sobre los neumáticos es la fuerza de fricción del

automóvil, esta permite evitar o disminuir el deslizamiento del neumático

sobre el terreno.

31

La fuerza de fricción actúa siempre en dirección tangente a los punto de

contacto neumático-suelo y en sentido opuesto al movimiento del vehículo.

En el rozamiento del neumático con el terreno, la resistencia es provocada

por las rugosidades existentes de las dos superficies en contacto. Existe una

atracción molecular entre ambas superficies y es la que produce resistencia

al movimiento.

Figura 21. Fuerzas de fricción del automóvil

(Moncayo, 2004)

Como se observa en la figura 22 𝐹𝑠1 y 𝐹𝑠2 son las fuerzas de rozamiento y se

oponen a F que es la fuerza del vehículo producida por el motor.

Si F> 𝐹𝑠1+𝐹𝑠2 hay movimiento.

Si F≤ 𝐹𝑠1+𝐹𝑠2 no hay movimiento.

La fuerza de rozamiento de la rueda sobre el piso se puede calcular

mediante fórmula [2].

𝐹𝑠 = 𝑁 ∗ 𝜇𝑠 [2]

El rozamiento entre ambas superficies se mide por medio del coeficiente de

rozamiento estático 𝜇𝑠, que resulta de la división de la fuerza de fricción

estática 𝐹𝑠 y la normal N de la fuerza del neumático sobre el terreno.

32

El coeficiente de rozamiento estático dependerá del material de los

neumáticos así como su estado y presión, además del material del suelo por

el que se desplace.

Figura 22. Valores del coeficiente de rozamiento estático 𝜇𝑠

(Moncayo, 2004)

Fuerzas de frenado en el sistema de frenos

Este sistema es el que se encargara de detener el giro de las ruedas del

vehículo.

La presión que se ejerce en los elementos mecánicos de rozamiento como

son pastillas o zapatas tiene su origen en el pedal del freno.

Al presionar el pedal del freno la fuerza F mueve la palanca del pedal l, esta

gira sobre su eje 3 transmitiendo la fuerza 𝐹1 a la bomba. El muelle 2 será el

encargado de regresar la palanca a su posición inicial cuando se deje de

presionar el pedal.

33

Figura 23. Fuerzas en el pedal del freno

(Moncayo, 2004)

La fuerza 𝐹1 se ejerce en el vástago del émbolo de la bomba de frenos y se

calcula en función de la fuerza F que será la que aplica el conductor.

𝐹1 =𝐹∗𝑎

𝑏 [3]

Debido a que la fuerza 𝐹1 actúa en un circuito hidráulico es necesario

determinar la presión 𝑃𝐵 que existe en la bomba.

𝑃𝐵 =𝐹1

∅12∗𝜋

4

[4]

Donde:

∅1: diámetro del émbolo de la bomba de frenos.

34

Figura 24. Diámetros de la bomba y bombín

(Moncayo, 2004)

La presión en los bombines 𝑃𝑏 será:

𝑃𝑏 =𝐹2

∅22∗𝜋

4

[5]

Donde:

∅2: Diámetro del émbolo del bombín

𝐹2: Fuerza con la que los émbolos de los cilindros de rueda empujan las

zapatas contra el tambor o las pastillas contra el disco.

35

Figura 25. Fuerzas y presiones en el circuito hidráulico de frenos

(Moncayo, 2004)

La fuerza F1 que es aplicada al vástago del cilindro de la bomba de frenos es

multiplicada debido al principio de pascal, ya que en el sistema la presión

será constante pero la fuerza variará de acuerdo al área de los cilindros.

Por medio de este principio concluimos que la presión en todo el sistema es

la misma y por tanto 𝑃𝐵= 𝑃𝑏.

𝐹1

∅12∗𝜋

4

=𝐹2

∅22∗𝜋

4

En donde despejamos 𝐹2

𝐹2 =𝐹1∗∅2

2

∅12 [6]

La fuerza 𝐹2 es aquella con la que se empujan las zapatas hacia el tambor.

Como se observa esta fuerza dependerá de la relación existente entre los

diámetros de la bomba de frenos y bombín de las ruedas.

36

Fuerzas de rozamiento de los elementos del freno

Para poder detener un vehículo que se encuentra en movimiento se utilizan

los frenos. Sean estos de tambor o pastillas; siempre utilizan dos piezas una

fija y una móvil, y mediante la fricción de estas se logra frenar las ruedas del

vehículo para su posterior detención.

En los frenos de tambor, las zapatas ejercerán fricción produciendo así un

par de frenado opuesto al movimiento del tambor.

𝐶 = 𝐹𝑡 ∗ 𝑑 [7]

C es el par que se produce por la acción de una fuerza 𝐹𝑡 de rozamiento

entre la zapata y el tambor, a una distancia d, del eje de rotación de la rueda

hasta la posición de rozamiento de los elementos de fricción.

Figura 26. Fuerzas de rozamiento en el tambor

(Moncayo, 2004)

Se puede decir también que el momento C es igual al producto de 𝐹𝑆 que es

la fuerza de rozamiento entre el neumático y el piso con d’ la distancia del

37

eje de rotación del neumático con respecto al punto de contacto entre el

neumático y el piso es decir donde se produce 𝐹𝑆.

𝐶 = 𝐹𝑆 ∗ 𝑑′ [8]

Se igualan las expresiones del momento C obteniendo:

𝐹𝑡 ∗ 𝑑 = 𝐹𝑆 ∗ 𝑑′

Despejando se tiene:

𝐹𝑡 =𝐹𝑆∗𝑑′

𝑑 [9]

La fuerza 𝐹𝑡 se calcula también por medio de la ecuación [10]:

𝐹𝑡 = 𝐹2 ∗ 𝜇 [10]

Donde 𝐹2 es la fuerza de acoplamiento entre zapata y tambor y 𝜇 el

coeficiente de rozamiento entre la zapata y el tambor.

2.1.6.2. Tiempos de frenado

Según (Bosch, Manual de la Técnica del Automóvil, 2005) hay los siguientes

tiempos en el momento del frenado.

38

Tiempo de reacción 𝒕𝟎

Lapso de tiempo desde que se toma la decisión hasta la activación del

dispositivo de accionamiento.

Tiempo de movimiento del dispositivo de accionamiento

Desde que comienza el efecto de la fuerza del dispositivo de accionamiento

hasta que llega a cada uno de los puntos finales.

Tiempo de respuesta 𝒕𝟏 − 𝒕𝟎

Tiempo transcurrido desde que empieza el efecto de la fuerza sobre el

dispositivo de accionamiento hasta el inicio de la fuerza de frenado.

Tiempo umbral 𝒕𝟏` − 𝒕𝟏

Tiempo que transcurre desde que se aplica la fuerza de frenado hasta que

se alcanza un valor determinado (presión determinada en el cilindro de

freno).

39

Tiempo de respuesta y tiempo umbral

Esta suma nos permitirá conocer el comportamiento en el tiempo del sistema

de frenos hasta alcanzar la capacidad total de frenado.

Tiempo de frenado activo 𝒕𝟒 − 𝒕𝟏

Tiempo transcurrido desde la aplicación de la fuerza de frenado hasta su

desaparición.

Tiempo de suelta de freno

Establece el tiempo de duración desde que se suelta el dispositivo de

accionamiento hasta la desaparición de la fuerza de frenado.

Tiempo de frenado 𝒕𝟒 − 𝒕𝟎

Tiempo que transcurre desde el comienzo del efecto de la fuerza en el

dispositivo de accionamiento hasta la desaparición de la fuerza de frenado.

40

Figura 27. Diagrama tiempos de frenado

(Bosch, Manual de la Técnica del Automóvil, 2005)

2.1.6.3. Desaceleración

Según (Bosch, Manual de la Técnica del Automóvil, 2005) se manifiestan las

siguientes desaceleraciones en el momento del frenado.

Desaceleración de frenado

Es la reducción de la velocidad de marcha provocada por el sistema de

frenos en l unida de tiempo t.

41

Desaceleración momentánea

𝑎 = 𝑑𝑣

𝑑𝑡 [11]

Desaceleración media entre dos puntos de tiempo: 𝒕𝑩 y 𝒕𝑬

amt =1

tE − tB∗ ∫ a (t) ∗ dt ;

tE

tB

de esto resulta

amt =vE−vB

tE−tB [12]

Donde:

vE y vB: Velocidades del vehículo en los instantes tE y tB.

Desaceleración media entre dos puntos del trayecto 𝐬𝐁 𝐲 𝐬𝐄

ams =1

sE−sB∗ ∫ a (s) ∗ ds ;

sE

sB

De esto resulta

𝑎𝑚𝑠 = 𝑣𝐸

2−𝑣𝐵2

2∗( sE−sB) [13]

42

Donde:

vE y vB: velocidades del vehículo en los puntos sE y sB.

Desaceleración media en el recorrido hasta la detención

La desaceleración media se representa mediante la ecuación [14]

ams0 =−v0

2

2∗ s0 [14]

Donde:

𝑣0 : se refiera al tiempo 𝑡0 (caso especial de 𝑎𝑚𝑠 cuando 𝑠𝐸 = 𝑠0).

Para establecer una relación entre la distancia de frenado y la

desaceleración, dicha desaceleración debe ser determinada como función

mediante el trayecto.

2.1.6.4. Frenado Z

Relación entre la fuerza total de frenado 𝐹𝑓 y el peso estático total 𝐺𝑠 sobre el

eje o los ejes del vehículo:

𝑧 =𝐹𝑓

𝐺𝑠⁄ [15]

43

Para lograr el frenado de un vehículo será necesario aplicar una fuerza

contraria a la del movimiento. Esta desaceleración (aceleración negativa)

será proporcional a la fuerza aplicada por ser la masa constante.

𝑑 =𝐹𝑠

𝑚 [16]

Donde:

d= desaceleración del vehículo.

𝐹𝑠= fuerza de frenado (neumático – piso)

m= masa del vehículo.

Tiempo de frenado 𝒕𝒇

𝑡𝑓 =𝑣

𝑑 [17]

𝑡𝑓 en función de µ será:

𝑡𝑓 =𝑣

𝜇∗𝑔 [18]

Se considera que desde que un conductor visualiza el obstáculo y presiona

el pedal del freno transcurre un cierto tiempo que se llamará tiempo de

reacción 𝑡𝑟, el cual para efectos de cálculos y en condiciones normales se

considera de un segundo.

Tiempo de frenado real será la fórmula [19]

𝑡𝑓𝑟𝑒𝑎𝑙 =𝑣

𝜇∗𝑔+ 1 [19]

3. METODOLOGÍA

44

Para obtener un resultado de manera clara y precisa se consideró necesario

realizar una investigación científica. “Esta posee una serie de pasos para

lograr el objetivo planteado o para llegar a la información solicitada, tiene

como base el método científico y este es el método de estudio sistemático

de la naturaleza que incluye las técnicas de observación, reglas para el

razonamiento y la predicción, ideas sobre la experimentación planificada y

los modos de comunicar los resultados experimentales y teóricos”.

(Rodríguez, 2010)

Se puede decir también que la investigación desarrollada en el presente

proyecto es del tipo aplicada que según (Rodríguez, 2010) busca establecer

conocimientos con fines de aplicación inmediata a la realidad para

modificarlo; es decir presenta solución a problemas prácticos más que

formular teorías sobre ellos.

Se utilizan varias estrategias que permitan dar solución al problema

planteado como la investigación documental la que se basa en análisis de

datos obtenidos de diferentes fuentes de información, la investigación de

campo que se basa en métodos que permiten recoger los datos en forma

directa de la realidad donde se presenta y finalmente la investigación

experimental con la que se manipula los datos directamente o mediante la

creación de condiciones para establecer mecanismos de control y llegar a

conocer las relaciones causa-efecto del fenómeno.

Los datos obtenidos serán cualitativos y cuantitativos los que permitirán

determinar de manera eficaz el sistema adecuado a instalar así como

también los elementos que conformarán el nuevo sistema de frenos del

prototipo de bus eléctrico.

Bajo este fundamento se estableció la siguiente metodología:

Efectuar un proceso de observación para determinar las condiciones

en las que se encuentra el prototipo de bus eléctrico.

Recopilar datos.

Determinar necesidades.

http://www.ecured.cu/index.php/Observaci%C3%B3n

http://www.ecured.cu/index.php?title=Experimentaci%C3%B3n&action=edit&redlink=1

45

Cálculo y diseño del nuevo sistema.

Implementación.

Pruebas.

Esta metodología de investigación y establecimiento de tareas, son las que

permitirán cumplir con el objetivo del proyecto de una manera clara,

ordenada y precisa.

3.1. SISTEMA DE FRENOS DEL PROTOTIPO DE BUS

ELÉCTRICO

3.1.1. DESCRIPCIÓN DEL BUS

El prototipo de bus eléctrico fue construído en un bus de la ex Comisión

Ecuatoriana de Energía Atómica marca: Bottar, clase: Omnibus, año de

fabricación 1988.

El bus mencionado dispone de un motor diésel marca Isuzu modelo 6BD1,

de 103 kW de potencia a 3000 rpm y un torque de 402 Nm entre 1600-1800

rpm.

Al no tener mayor información que la mencionada sobre el bus se realizó

una minuciosa investigación y de acuerdo a las características del bus tanto

de capacidad de carga como de las especificaciones del motor diésel se

determinó que el modelo del mismo es el Isuzu FSR 450 Short.

Este modelo tiene las características que se presentan en la tabla 1.

46

Tabla 1. Características generales del Isuzu FSR 450 Short

Motor

Transmisión

Eje

delantero

Eje

posterior

Base de

la llanta

Frenos

Isuzu

6BD1

5.8lts

Isuzu

MBG5C

5

velocidades

Capacidad

3400 kg

Capacidad

7700 kg

3730mm

Hidráulicos

con servo

de vacío

(Isuzu GM, 2003)

El sistema de frenos de servicio que posee el bus es hidráulico, con un servo

de vacío y tiene un circuito doble de frenado tanto en su parte delantera

como en la posterior.

El freno de parqueo es de tipo mecánico y está colocado a la parte trasera

de la transmisión.

El sistema eléctrico del bus está compuesto por:

Dos baterías de 12V.

El alternador de 24V - 40A.

El motor de arranque de 24V – 4.5KW.

El motor que posee el bus como se mencionó en la tabla 1 es el Isuzu 6BD1

que tiene las especificaciones que se muestran en la tabla 2.

47

Tabla 2. Características del motor Isuzu 6BD1

Tipo

Diámetro

por

carrera

(mm)

Cilindraje

Compresión

Potencia de

salida (KW)

Torque (Nm)

Diésel

OHV

6

cilindros

102 x

118

5785cc

17.0:1

100@3200rpm

353@2000rpm

(Isuzu GM, 2003)

Figura 28. Desempeño del motor Isuzu 6BD1

(Isuzu GM, 2003)

48

Los neumáticos tienen las siguientes características.

8.25R - 16lt 12ply (Dunlop Highway).

Figura 29. Neumático 8.25R - 16lt 12ply (Dunlop Highway)

(Linglong, 2010)

3.1.2. SITUACIÓN ACTUAL DEL PROTOTIPO DE BUS ELÉCTRICO

Hay que tener presente que el bus al momento es híbrido por cuanto posee

un grupo electrógeno que cargue las baterías y ayuda en el desempeño del

mismo, pero el objetivo final del proyecto es el de llegar a obtener un

autobús netamente eléctrico. El hibrido es un paso intermedio hasta realizar

las pruebas necesarias que permitan tener un bus eléctrico funcionando

eficazmente.

Manifestado esto se procede a detallar el proceso de adaptación del autobús

eléctrico.

Se reemplazó el motor original por un motor eléctrico de corriente alterna de

4 polos tipo jaula de ardilla, marca ABB, de 75 kW de potencia a 1800 rpm y

un torque de 402 Nm.

Se acopló la caja de cambios del bus al motor eléctrico y se realizaron las

pruebas de funcionamiento fuera de la estructura del bus, utilizando un

49

banco de baterías como fuente de energía, cuya corriente continua era

convertida en corriente alterna por la presencia de un Inversor de marca

ABB, todo esto se administra mediante un sistema de control automático.

Figura 30. Montaje de la caja al motor eléctrico

(Bermudez, 2010)

Figura 31. Estructura metálica para el banco de baterías

(Bermudez, 2010)

50

El prototipo de bus híbrido dispone además de un sistema emergente de

carga eléctrica conformado por un grupo electrógeno acoplado al chasis del

bus y un banco de ultra capacitores que almacenan la carga eléctrica que las

baterías no alcanzan a guardar.

Figura 32. Grupo electrógeno y motor eléctrico

(Bermudez, 2010)

Figura 33. Cargador de batería e inversor

(Bermudez, 2010)

51

Luego de que se montaron en el chasis y la nueva carrocería, todos los

elementos adquiridos, se realizó una prueba de funcionamiento del prototipo

de bus híbrido con las ruedas traseras propulsoras elevadas para que no

exista contacto con el piso y de esta manera evaluar el funcionamiento de

los acoples.

Esta es la situación en la que se encuentra el prototipo de bus eléctrico hay

que resaltar que al momento de realizar la adaptación del motor eléctrico a la

caja de cambios y de implementar todos los sistemas eléctricos que

permitan poner en funcionamiento al prototipo de bus eléctrico quedó

inhabilitado el sistema de frenos así como otros sistemas que no permiten

que el prototipo de bus eléctrico sea funcional.

Estos datos fueron tomados del Ing. Mario Bermúdez funcionario del

Ministerio y encargado del proyecto. En su informe Sobre la Fabricación del

Prototipo de Bus Híbrido, Ministerio de Electricidad y Energía Renovable,

Subsecretaría de Energía Renovable y Eficiencia Energética, Quito,

Ecuador.

3.1.3. SISTEMA DE FRENOS DEL PROTOTIPO DE BUS ELÉCTRICO

El objetivo del presente trabajo monográfico es el de poner en

funcionamiento el sistema de frenos del bus, por lo cual se tiene como

referencia el modelo original del sistema instalado, se utilizó el esquema

hidráulico a través del cual se trabajó y se diseñó el nuevo sistema a ser

instalado.

Se realizó el siguiente análisis del funcionamiento original del sistema: el bus

posee un sistema de frenos hidráulico con un servofreno de vacío llamado

hidromaster este servo obtiene vacío por medio de una bomba la cual está

acoplada al alternador, posee un tanque de vacío y su diagrama hidráulico

se observa en la figura 34.

52

Figura 34. Esquema hidráulico sistema de frenos

(Izusu, 2001)

El objetivo es que el sistema de frenos funcione como se indica en el

esquema hidráulico original.

3.1.3.1. Situación de los elementos en el sistema de frenos del

prototipo de bus eléctrico

Pedal

El pedal es el elemento de mando, por medio del cual se activa el sistema de

frenado, su ubicación y ángulo deben ser de acuerdo a un diseño

ergonómico, es decir en función de la comodidad del usuario.

53

Además funciona como palanca para multiplicar la fuerza que el chofer

aplica, esta fuerza es comunicada a la bomba de frenos directamente.

Al realizar la inspección en el autobús observamos que el pedal se

encuentra en buen estado, no presenta signos de haber sido modificado, su

ubicación y posición de accionamiento son los originales establecidos por el

fabricante.

Se encuentra conectado con la bomba de frenos, al presionar el pedal no

presentó resistencia alguna, ya que el sistema se encuentra sin líquido de

frenos.

Figura 35. Pedal del freno

Bomba de frenos

La bomba de frenos o cilindro maestro, es la que recibe la fuerza

proveniente del pedal, aquí el líquido de frenos proveniente del depósito es

empujado por acción de esta fuerza, su presión se eleva y va por las

cañerías hacia el resto del sistema de frenos.

Se observa una bomba muy deteriorada, presenta signos de oxidación en su

carcaza, para comprobar su estado real, se desmontó esta bomba, se

54

desarmo y se observó que el retenedor tenía ya signos de desgaste

avanzado, presentaba grietas y por lo tanto se decidió cambiar dicho

retenedor con la intención de aumentar la vida útil de la bomba así como

también de mantener la hermeticidad en la bomba y garantizar así su óptimo

funcionamiento.

Figura 36. Bomba de frenos

Figura 37. Bomba de frenos desmontada

55

Cañerías

Las cañerías son tuberías rígidas que transportan el líquido de frenos por

todo el sistema, su diseño dependerá del fabricante pero se deben evitar

codos y curvas excesivas. El material y el diámetro de la cañería se deben

colocar en función a las altas presiones de trabajo a las que están

sometidas.

Al realizar la inspección se observó que el sistema de cañerías se encuentra

en buen estado, no se hallaron cañerías desconectadas, el sistema

hidráulico está intacto, no presenta signos de haber sido manipulado.

Figura 38. Cañerías de la bomba de frenos

56

Figura 39. Cañerías de las ruedas vista lateral

Figura 40. Cañerías de las ruedas vista superior

Hidromaster

El hidromaster es un elemento que en este sistema de frenos funciona como

servofreno, es el encargado por acción del vacío de multiplicar la presión del

líquido de frenos que va hacia las ruedas. Además tiene la función de

suavizar el pedal de accionamiento del freno.

57

Es de gran diámetro y debido a esto logra una gran multiplicación de la

presión.

Se encuentra en buen estado, no presenta signos de haber sido manipulado.

Del buen funcionamiento de este elemento dependerá que el autobús pueda

frenar con seguridad, confiabilidad y confort.

Figura 41. Hidromaster

Tambor

Este es un elemento de fricción, el cual está en contacto directo con el forro

de la zapata, entre ambos elementos deberán generar la fuerza opuesta al

movimiento necesaria para detener al vehículo. Debido a su funcionamiento

está sometido a grandes fuerzas y temperaturas.

Para poder realizar la inspección del estado de este elemento se desmontó

la rueda, se verificó que el área sometida a los esfuerzos de fricción, la

superficie en contacto con las zapatas se encontrara bien.

58

Se observó que existe un desgaste normal, no presenta marcas inusuales ni

ralladuras, por lo que se determinó que no es necesario su rectificación.

Figura 42. Tambor

Figura 43. Tambor vista interior

59

Zapatas

Son elementos de fricción que conforman la parte fija del vehículo, contrario

al tambor que gira solidariamente con las ruedas.

Hay dos zapatas por cada rueda y cada una es impulsada por un pistón, lo

que se conoce como bombín o bomba de las ruedas.

Al desmontar la rueda, se quitó el tambor y se observó las zapatas, se revisó

que los resortes antagónicos estuvieran en buen estado y se midió el

espesor del forro, el cual es de 11 mm, medida que está en el parámetro

adecuado para su correcto funcionamiento.

Figura 44. Zapatas

60

Figura 45. Zapatas desmontadas

Cilindros de las ruedas

Una vez desmontadas las zapatas se procedió a verificar el estado de los

pistones y cilindros de las ruedas, se observó que los cilindros no posean

ralladuras y que los retenedores de los pistones estuvieran en buen estado.

Los cilindros deben empujar a las zapatas para que estas hagan contacto

con el interior del tambor, la presión que deben ejercer es muy elevada, esta

presión final que entregan los bombines es la que detiene al autobús.

Figura 46. Cilindro de la rueda

61

Figura 47. Pistón de la rueda

3.1.3.2. Elementos faltantes en el sistema de frenos del prototipo de

bus eléctrico

Al finalizar una minuciosa inspección del sistema de frenos, y del estado de

cada uno de los elementos que conforman el mismo, se llega a la conclusión

que faltan dos elementos que formaban parte del sistema original y sin los

cuales los frenos no pueden funcionar.

Los elementos faltantes son los siguientes.

Bomba de vacío

Debido al gran peso del bus y la elevada presión que se necesitan en los

frenos para detener este vehículo el sistema originalmente incorporaba una

62

bomba de vacío, la cual funcionaba solidaria al movimiento del alternador, al

ser reemplazado el motor de combustión interna la bomba se desechó.

La bomba de vacío genera la depresión necesaria en el hidromaster para

que este cumpla la función de servofreno.

En la figura 48 se observa una bomba de vacío mecánica similar a la que se

retiró del sistema de frenos original del autobús.

Figura 48. Bomba de vacío Nissan

(Nissan, 2007)

Tanque de vacío

En el sistema de frenos es un elemento muy importante, el mismo cumplirá

como un tanque de almacenamiento, de reserva de vacío, para proveer la

depresión necesaria en cada instante del frenado.

En la bodega donde se encuentra el autobús se halló un tanque de vacío en

condiciones muy deterioradas, se presume es el tanque original del sistema.

63

Se deberá calcular su capacidad exacta y comprobar que es el idóneo para

el sistema que se instalará. Cálculo que se realizará más adelante.

Figura 49. Tanque de vacío

Figura 50. Tanque de vacío Isuzu

(Isuzu, 2012)

64

Finalizada la inspección se llega a la conclusión que el sistema de frenos

necesita un nuevo sistema por medio del cual se pueda activar una bomba

de vacío, que pueda cumplir con la depresión necesaria en el hidromaster

para poder cumplir la función de servofreno.

3.2. DISEÑO

Una vez descritos todos los posibles sistemas de freno para el prototipo de

bus eléctrico del Ministerio de Electricidad y Energía Renovable y por

cuestiones de costos se llega a la conclusión de que el sistema adecuado a

ser instalado es el de frenos hidráulicos, es decir mantener el sistema

original del bus, con la adaptación de un nuevo sistema de vacío que permita

tener un servofreno activo y funcionando.

El diseño del sistema se lo realizó mediante el programa digital “Autodesk

Inventor” y mediante cálculos físicos y matemáticos que permitieron la

correcta selección de los elementos y materiales para su posterior

instalación en el nuevo sistema de frenos del prototipo de bus eléctrico los

cuales se detallan a continuación.

3.2.1. CÁLCULOS

Una vez expuesta la fundamentación teórica y todas las formulas necesarias

para realizar los respectivos cálculos que nos permitirán la elección de los

elementos idóneos a instalar en el sistema de frenos, se procede con dichos

cálculos.

65

3.2.1.1. Datos recolectados

Para la implementación del nuevo sistema de frenos se realizaron medidas

de los elementos que están instalados, los cuales fueron revisados

previamente y están en buenas condiciones y funcionando.

Los datos que se obtuvieron son los siguientes:

Diámetro del pistón de la bomba principal de frenos

øBOMBA = 39mm =0.039m

Diámetro del pistón de la bomba de las ruedas

øBOMBÍN = 36,5mm =0.0365m

Diámetro del Hidromaster

øHIDROMASTER = 254mm =0.254m

Diámetro de las cañerías

øCAÑERÍAS = 6*10−3m

66

Distancias del pedal de frenos

a = 0.3m

b = 0.12m

En la figura 51 se observan las fuerzas, presiones y diámetros que

conforman el sistema de frenos del prototipo de bus eléctrico.

Figura 51. Esquema de las fuerzas, presiones y diámetros del sistema de frenos.

Donde:

𝐹𝐶= Fuerza con la que el conductor pisa el pedal.

F1= Fuerza en la bomba

F= Fuerza de la zapata

67

∅1= Diámetro del pistón de la bomba de frenos

∅2= Diámetro del pistón de la bomba de las ruedas

P1= Presión que ingresa al hidromaster

P2= Presión que sale del hidromaster

PB= Presión de la bomba de vacío

Identificados los principales datos, se procede al cálculo de las magnitudes

necesarias para la implementación del sistema.

3.2.1.2. Fuerza en la bomba

La fuerza 𝐹𝐶 que se aplica en el pedal por parte del conductor se tomó como

dato de un estudio realizado para la mejora de las condiciones de seguridad

y ergonomía del puesto de conducción de autocares. (INSIA, 2003) Como se

muestra en la figura 52.

Figura 52. Fuerzas en el pedal del freno

(INSIA, 2003)

68

Se calcula F1 que es la fuerza que entrega la bomba, la cual se multiplica

por efecto del pedal.

F1 =𝐹𝐶∗a

b

F1 =50N∗0.3m

0.12m

F1 = 125N

Para un correcto diseño y posterior implementación del sistema es necesario

determinar un factor de seguridad.

Se llama así a la relación entre la carga límite que puede soportar un

elemento y la carga máxima admisible. El coeficiente de seguridad permite a

los proyectistas resguardar los elementos proyectados de eventuales

roturas, debidas a imprecisiones del cálculo de las solicitaciones, por la

inevitable discrepancia existente entre las estructuras reales y las

esquematizadas para facilitar los cálculos, así como por eventuales defectos

de los materiales. (Diccionario, 2010)

fs =𝑉𝐴𝐿𝑂𝑅𝑇𝐸Ó𝑅𝐼𝐶𝑂

𝑉𝐴𝐿𝑂𝑅𝑃𝑅Á𝐶𝑇𝐼𝐶𝑂

[20]

fs =420N

125N

fs = 3.36

Una vez determinado el valor del factor de seguridad se lo multiplica por el

valor teórico calculado obteniendo así un valor real práctico.

F1 = fs ∗ 125N [21]

F1 = 420N

69

3.2.1.3. Presión líquido de frenos (baja presión)

Se calcula la presión P1que será la que sale de la bomba, esta presión será

constante en todas las cañerías hasta llegar al hidromaster.

P1 =F1

A1 [22]

Previamente se debe calcular el área donde es ejercida dicha presión la cual

se calcula por medio de del radio del pistón de la bomba.

A = π ∗ r2 [23]

𝐴1 = π ∗ r12

𝐴1 = π ∗ 0.01952

𝐴1 = 1.19 ∗ 10−3m2

Se aplica la ecuación [22] y se obtiene

P1 =420𝑁

1.19 ∗ 10−3m2

P1 = 352941.17 Pa

Para tener una idea más clara acerca de la presión que ingresa al

hidromaster se transforma las unidades de pascales a bares.

Considerando que 1Bar=100000Pa

P1 = 3.52Bar

70

La presión P1 únicamente corresponde al líquido hidráulico (baja presión) es

decir antes de salir del hidromaster, ya que este realiza un efecto de

servofreno y multiplica la presión del fluido.

El diagrama de presiones del líquido de frenos y vacío en el sistema se

observa en la figura 53.

Figura 53. Esquema de presiones del líquido de frenos y vacío

Como se observa en la figura 53 se diferencian 3 secciones en el sistema de

frenos del bus, así mismo se ha dividido el cálculo para cada sección en

específico.

Se procede ahora al cálculo de la presión y fuerza que se ejerce en las

zapatas (líquido de frenos a alta presión).

71

3.2.1.4. Presión líquido de frenos (alta presión)

Esta presión hidráulica es la que al actuar sobre el pistón de la bomba de las

ruedas producirá una fuerza que ejercida en las zapatas permitirá que el bus

se detenga.

Distancia de frenado

Para el cálculo de la misma partimos del Teorema General del Trabajo y la

Energía cuyo enunciado nos dice que:

K1 + UG1 + UE1 + ΣT1−2 = K2 + UG2 + UE2 [24]

A partir de esta fórmula del Teorema General del Trabajo y la Energía

simplificamos todas aquellas energías que no están involucradas en el

análisis respectivo. Se obtiene así:

K1 + ΣT1−2 = 0

La energía cinética del vehículo y la sumatoria de trabajos que se ejercen

sobre el mismo son iguales a cero ya que se debe detener el vehículo.

Se descompone la sumatoria de trabajos los cuales son el trabajo del motor

y el trabajo de la fuerza de rozamiento y se obtiene:

K1 + 𝑇𝑀 − 𝑇𝑓𝑟 = 0 [25]

Donde:

K1 =1

2mv2 (Energía cinética) [26]

𝑇𝑓𝑟 = μmgd (Trabajo fuerza de rozamiento) [27]

𝑇𝑀 = Trabajo del motor

72

El signo negativo del trabajo que realiza la fuerza de rozamiento se debe a

que es opuesto al movimiento.

Se reemplazan las fórmulas [26] y [27] en [25].

1

2mv2 + TM − μmgd = 0

m= 8 toneladas

v= 13.88 𝑚𝑠⁄

TM = 402Nm

Los datos de masa y trabajo del motor fueron tomados del Ing. Mario

Bermúdez funcionario del Ministerio y encargado del proyecto. En su informe

Sobre la Fabricación del Prototipo de Bus Híbrido, Ministerio de Electricidad

y Energía Renovable, Subsecretaría de Energía Renovable y Eficiencia

Energética, Quito, Ecuador.

La velocidad de referencia es de 50 𝑘𝑚ℎ⁄ =13.88 𝑚

𝑠⁄ ya que es el límite de

velocidad establecido por la Ley de Tránsito del Ecuador en zona urbana.

Se despeja d que es la única incógnita en la ecuación y se procede a

reemplazar con los datos establecidos.

𝑑 =1

2mv2+TM

μmg [28]

𝑑 =1

28000kg(13.88𝑚

𝑠⁄ )2

+402J

0.6∗8000kg∗9.8𝑚

𝑠2

𝑑 = 16.39𝑚

Esta distancia es la que necesita el bus para detenerse, con este dato se

procede al cálculo de la aceleración.

73

Aceleración

Esta aceleración será negativa ya que estamos calculando el frenado, la

aceleración en contra del movimiento que permite que el bus se detenga.

𝑎 =𝑣𝑜

2

2𝑑

𝑎 =(13.88𝑚

𝑠⁄ )2

2∗16.39𝑚

𝑎 = 5.87 𝑚𝑠2⁄

Fuerza del pistón de las zapatas

Para calcular la fuerza con la que los pistones hacen que las zapatas salgan

y frenen a las ruedas del bus es necesario realizar la sumatoria de fuerzas

en Y, se tomó como referencia la figura 54 donde se observa las fuerzas que

actúan sobre la zapata.

Figura 54. Fuerzas que actúan en la zapata

(MONTESA, 2009)

74

ΣFy = ma

Fy − fr = ma

Fsenφ − μNcosφ = ma ; N = mg

F =ma+μmgcosφ

senφ [29]

F =8000kg∗5.87m

s2⁄ +0.6∗8000kg∗9.8ms2⁄ ∗cos116

sen116

F = 29304.84N

Al calcular la fuerza F que es la necesaria para detener al vehículo se debe

considerar que para este efecto se utilizan dos pistones, uno con cada

zapata, por lo que la fuerza se debe dividir para dos esa será la fuerza que

cada zapata realiza.

F

2= 14652.42N

Presión en el pistón las zapatas

La presión que se tiene en las zapatas será la presión a la que el

hidromaster elevó el líquido de frenos.

𝑃2 =𝐹

𝐴2 [30]

Primero se debe calcular 𝐴4 a partir del diámetro del pistón de la rueda.

𝐴2 = π ∗ r22

𝐴4 = π ∗ 0.018252

75

𝐴4 = 1.04 ∗ 10−3m2

Reemplazando

P2 =14652.42N

1.04∗10−3m2

P2 = 14088868.35Pa

La P4 es la que al actuar sobre el pistón de la bomba de ruedas produce la

fuerza F y detiene al autobús por medio de las zapatas. Por seguridad para

que la presión sea la suficiente para producir la fuerza de frenado se utiliza

un factor de seguridad de 4.

𝑃2

4= 3522217.086Pa

P2 = 35.22Bar

3.2.1.5. Presión de la bomba de vacío

Se tienen las presiones del líquido de frenos tanto de alta presión como de

baja presión pero no se ha considerado la presión que ejerce el vacío en el

sistema, este vacío que es producido por la bomba de vacío, una presión

constante que administrara dicha bomba desde que el autobús es

encendido.

Para hallar dicho valor realizamos el siguiente análisis matemático.

P2 = P1 + PBOMBA [31]

PBOMBA = P2 − P1

76

PBOMBA = 35.22Bar − 3.52Bar

PBOMBA = 31.7Bar

3.2.1.6. Volumen del tanque de vacío

Anteriormente se mencionó que se contaba con un tanque de vacío, el

mismo que tiene las medidas que se observan en la figura 55.

Figura 55. Dimensiones tanque de vacío

Con estas medidas se calcula su volumen y se determina si es el idóneo

para ser instalado en el nuevo sistema de frenos.

v = 41cm ∗ 26cm ∗ 19cm

v = 20254cm3

77

Para tener una idea más clara acerca del volumen del tanque se transforma

las unidades de cm3 a litros.

Considerando que 1000cm3=1lt

v = 20.2lts

3.2.1.7. Motor eléctrico

Se necesita calcular la potencia del motor eléctrico que pueda mover la

bomba de vacío del nuevo sistema.

Las formulas [32] y [33] son expresiones de potencia, a partir de las cuales

realizaremos el cálculo.

P = V ∗ I [32]

Donde:

V= voltaje

I = Intensidad de corriente

P = T ∗ w [33]

Donde:

T= torque

w = Velocidad angular

Se iguala las expresiones [32] y [33]

V ∗ I = T ∗ w

Se despeja I

78

I =T ∗ w

V

Previo al cálculo de la intensidad se debe calcular la velocidad angular, la

misma que se realiza en función de las rpm, mediante la fórmula [34].

1 rev

min=

2πrad

60s [34]

El valor del voltaje es el mismo al cual el sistema eléctrico del autobús

trabaja.

V = 24V

El torque es el necesario para mover la bomba de vacío y que esta genere la

presión que el sistema demanda.

Para poder calcular la intensidad del motor y posteriormente su potencia

necesitamos conocer el torque y las rpm con las que funcionará el nuevo

sistema, como estos datos no son conocidos se generó una tabla que nos

permitirá hallar el motor idóneo de acuerdo la condiciones de trabajo del

nuevo sistema. En la tabla 3 se muestran los datos obtenidos.

Tabla 3. Selección del motor eléctrico

T RPM w V I Potencia (Watts)

Potencia (Hp)

1 1200 125,64 24 5,235 125,64 0,168418231

1,5 1300 136,11 24 8,506875 204,165 0,273679625

2 1400 146,58 24 12,215 293,16 0,392975871

2,5 1500 157,05 24 16,359375 392,625 0,526306971

3 1600 167,52 24 20,94 502,56 0,673672922

3,5 1700 177,99 24 25,956875 622,965 0,835073727

4 1800 188,46 24 31,41 753,84 1,010509383

4,5 1900 198,93 24 37,299375 895,185 1,199979893

5 2000 209,4 24 43,625 1047 1,403485255

79

3.2.2. SELECCIÓN DE ELEMENTOS

Los elementos que se van a instalar en el sistema se eligieron en función de

los resultados obtenidos de los cálculos que se realizaron previamente.

A continuación se detalla un resumen de los resultados que se obtuvieron.

3.2.2.1. Resumen de valores calculados

En la tabla 4 se observan los valores calculados

Tabla 4. Resumen de los valores calculados

FUERZA EN LA BOMBA DE FRENOS: F1 = 420N

PRESION DE LA BOMBA DE FRENOS: P1 = 3.52Bar

FUERZA EN LAS ZAPATAS: F = 14652.42N

PRESIÓN EN LA BOMBA DE FRENOS DE LA RUEDA: P2 = 35.22Bar

PRESIÓN BOMBA DE VACÍO: PBOMBA = 31.7Bar

VOLUMEN TANQUE DE VACÍO: v = 20.2lts

POTENCIA MOTOR ELÉCTRICO: P= 0.83Hp

Con los datos obtenidos se procedió a buscar los elementos que mejor se

ajustaran a las condiciones de funcionamiento del autobús y se eligieron los

siguientes:

80

3.2.2.2. Motor eléctrico

Para la elección del motor hay que considerar dos aspectos principalmente:

El sistema eléctrico del bus es de 24V de corriente continua.

La potencia del motor requerida para el funcionamiento de la bomba

es de 0.83hp y su velocidad 1700rpm.

Con los parámetros establecidos la búsqueda se centró en un motor

eléctrico de corriente continua que funcione a 24V, que sea mínimo de

0.83hp y funcione a 1700rpm.

En el mercado ecuatoriano este tipo de motores son muy difíciles de

encontrar, nuestra industria únicamente trabaja con motores de corriente

alterna de 110 y 220V.

En la web se encontraron algunos motores eléctricos con las características

que se buscan para la implementación del sistema, a continuación en la

tabla 5 se detallan los más sobresalientes.

Tabla 5. Motores eléctricos en el mercado

MOTOR ELÉCTRICO ESPECIFICACIONES MARCA/DISTRIBUIDOR

Voltaje:24V DC

Potencia:700W

RPM:3000rpm

KEYA

Alibaba.com

Voltaje:24V DC

Potencia:1200W

RPM:3000rpm

KEYA

Alibaba.com

81

Voltaje:24V DC

Potencia:5KW

RPM:4000rpm

KEYA

ectrade.com

Voltaje:24V DC

Potencia:0.9HP

RPM:1700rpm

LEESON

Considerando las especificaciones presentadas en la tabla 5 y de acuerdo a

las condiciones necesarias preestablecidas para la selección del motor, se

decide utilizar el motor americano marca LEESON.

Figura 56. Motor eléctrico LEESON

Tabla 5. Motores eléctricos en el mercado, continuación…

82

Figura 57. Especificaciones motor eléctrico LEESON

3.2.2.3. Tanque de vacío

Anteriormente se mencionó un tanque de vacío que fue hallado en la bodega

donde se encuentra el bus, se analizó su capacidad, se calculó su volumen y

se concluyó que era idóneo para ser instalado en el nuevo sistema.

Para poder utilizar el tanque se hizo un proceso de limpieza, tanto por el

interior como en su exterior, se quitaron todos los residuos de grasa y polvo.

Se inspeccionó que no existan grietas o rupturas que pudieran comprometer

su buen funcionamiento. Se cambió su tapón de acero para evitar fugas de

vacío y finalmente se pintó.

83

Figura 58. Tanque de vacío reparado

3.2.2.4. Bomba de vacío

Hay diferentes tipos de bombas de vacío en el mercado automotriz, pero

generalmente son de poca capacidad, la depresión que generan es muy

limitada.

Debido al incremento del peso del autobús las condiciones de frenado se

modificaron y ahora se requiere una bomba de vacío de mayor capacidad.

Cabe recalcar que la bomba original y la mayoría de este tipo funcionan

solidarias al alternador, es por esto que ubicar una bomba de vacío sin el

alternador es un poco complicado, generalmente el conjunto es el que está

ofertado.

Se necesita buscar una bomba que genere la presión que se calculó

anteriormente.

84

En el mercado de repuestos automotrices se encontraron algunos tipos de

bombas de vacío de distintas marcas con las características que se buscan

para la implementación del sistema, en la tabla 6 se detallan las opciones

más sobresalientes.

Tabla 6. Bombas de vacío en el mercado

BOMBA DE VACÍO

CARACTERÍSTICAS

MARCA/DISTRIBUIDOR

Bomba de vacío

acoplada alternador

para el ISUZU FSR

6BD1

Alternador Hitachi tipo 24V

40A Isuzu con bomba de

vacío

Baxters.com

Bomba de vacío para

Autobús NISSAN

PRIMASTAR (X83)

dCi 140 (135Cv)

PIERBURG

Mister-auto.es

Bomba de vacío para

MERCEDES-BENZ

VITO Autobús (638)

108 D 2.3 (79Cv)

PIERBURG

Mister-auto.es

Bomba de vacío Motor

6BD1

ISUZU NPR-NHR

ISUZU

LOPORT Importadora

Automotriz

http://www.baxters.com.au/alternator-hitachi-type-24v-40amp-isuzu-with-vacuum-pump.html

85

Figura 59. Bomba de vacío elegida para el nuevo sistema

3.2.2.5. Baterías

Para el funcionamiento del motor eléctrico se necesitan 24V de corriente

continua, energía que proviene de las baterías.

Se aprovechó el banco de baterías del autobús, las baterías son de las

siguientes características:

Voltaje:12V

Amperaje: 115A

Como el voltaje necesario es de 24V y las baterías son de 12V, se va a

utilizar dos baterías conectadas en serie, como se observa en la figura 61.

La conexión en serie hace que el voltaje se sume, así se obtiene los 24V que

van a poner en funcionamiento el motor eléctrico.

86

Figura 60. Batería del banco del autobús

Figura 61. Baterías conectadas en serie

3.2.3. UBICACIÓN

La ubicación del nuevo sistema dependerá del espacio en el autobús donde

se puedan instalar todos los elementos con la consideración de evitar caídas

de presión por excesivas distancias entre los mismos.

Se observa un lugar idóneo en la parte lateral izquierda del bus. El sistema

se instalará cerca del hidromaster y de un banco de baterías, que nos

87

permitirán realizar la conexión eléctrica y de vacío respectivamente de

manera práctica y simple.

Se realizaron planos de los elementos que se instalarán en el nuevo sistema

de frenos del prototipo de bus eléctrico para observar si las dimensiones

eran las adecuadas y ubicar el conjunto donde se mencionó.

Los planos mencionados se encuentran en los anexos. El plano del acople

que se realizó entre la bomba de vacío y el motor corresponde al anexo II, El

de la bomba de vacío es el anexo III, el del eje de la bomba el anexo IV, el

del motor eléctrico el anexo V y el de la estructura de fijación el anexo VI.

Figura 62. Espacio para la instalación del sistema vista frontal

Figura 63. Espacio para la instalación del sistema vista superior

88

3.2.3.1. Planos del conjunto 3D

Figura 64. Diseño 3D sistema de frenos autobús vista superior

Figura 65. Diseño 3D sistema de frenos autobús vista lateral

89

Figura 66. Diseño 3D del sistema a implementar

3.2.4. ANÁLISIS ESTRUCTURAL DEL CONJUNTO

Se realizó un análisis estático del conjunto que se va a implementar con los

elementos que ya se escogieron previamente. Se utilizó el programa digital

Autodesk Inventor, para este análisis se establecieron las condiciones

iniciales que se detallan a continuación.

3.2.4.1. Materiales

El programa digital nos permite tener todos los datos correspondientes al

material que se elige. Elegidos los elementos a utilizar se escribieron los

materiales de los que están compuestos y se genera la siguiente

información.

90

Motor

Tabla 7. Propiedades material del motor

Nombre Acero inoxidable, austenítico

General

Densidad de masa 8,03 g/cm^3

Límite de elasticidad 228 MPa

Resistencia máxima a tracción 540 MPa

Tensión

Módulo de Young 190,3 GPa

Coeficiente de Poisson 0,305 su

Módulo cortante 0 GPa

Tensión térmica

Coeficiente de expansión 0,0000174 su/c

Conductividad térmica 14 W/( m K )

Calor específico 456 J/( kg c )

Nombre(s) de pieza motor

Acople

Tabla 8. Propiedades material del acople

Nombre Acero baja aleación, alta resistencia

General


Límite de elasticidad 275,8 MPa


Tensión

Módulo de Young 200 GPa


91


Tensión térmica




Nombre(s) de pieza Acople

Bomba

Tabla 9. Propiedades material de la bomba

Nombre Acero fundido

General




Tensión




Tensión térmica




Nombre(s) de pieza BOMBA

Tabla 8. Propiedades material del acople, continuación…

92

Estructura de fijación

Tabla 10. Propiedades material de la estructura de fijación

Nombre Acero inoxidable

General




Tensión




Tensión térmica




Nombre(s) de pieza PLACA

3.2.4.2. Condiciones de funcionamiento

Momento

El momento o torque de fuerza es un dato calculado en función de la

potencia del motor y sus rpm como ambos datos son conocidos se aplica la

fórmula [35].

M =9550∗PMOTOR

RPM [35]

93

M =9550∗0.67Kw

1700rpm

M = 3.77 Nm

En el programa las unidades que se piden son en N-mm se realiza una

transformación de unidades y se ingresa el valor.

Tabla 11. Momento

Tipo de carga Momento

Magnitud 370.000 N mm

Vector X -370.000 N mm

Vector Y -0.000 N mm

Figura 67. Momento aplicado en el nuevo sistema

94

Gravedad

Tabla 12. Gravedad

Tipo de carga Gravedad

Magnitud 9810.000 mm/s^2

Vector X 9810.000 mm/s^2

Vector Y 0.000 mm/s^2

Vector Z 0.000 mm/s^2

Figura 68. Fuerza de la gravedad aplicada en el nuevo sistema

Presión

Es la fuerza ejercida por el peso del conjunto instalado en la placa metálica.

Peso del conjunto: 40kg

95

Área de la placa: 0.03m2

Aplicando la fórmula de presión se obtiene:

P = 13066.66Pa

Para el dato que se ingresa en el programa se consideró un factor de

seguridad de 2 que está dentro del límite establecido en la prueba de factor

de seguridad que se analizara más adelante.

Tabla 13. Presión

Tipo de carga Presión

Magnitud 0.030 MPa

Figura 69. Presión aplicada en la placa de fijación del nuevo sistema

96

3.2.4.3. Pruebas teóricas realizadas

Con estos datos preestablecidos se realizó el análisis de esfuerzo de la

estructura a la cual va a estar sujeta el conjunto del motor y bomba de vacío.

El programa desarrolla una serie de pruebas con sus respectivos resultados

y genera un informe. Un resumen de las pruebas más representativas se

muestra a continuación.

Tensión Máxima

Al observar la figura 70 se demuestra que la tensión aplicada en cualquier

punto del conjunto implementado no es suficiente para realizar alguna

deformación en el mismo, los materiales utilizados son los adecuados para

las exigencias a las que está sometido el sistema.

Figura 70. Tensión máxima

97

Desplazamiento

Se observa que puede existir un desplazamiento mínimo en condiciones de

trabajo extremas, en los puntos que se observa con los colores amarillo y

rojo, un desplazamiento de máximo de 0.5 mm el cual es casi despreciable y

que no determinara fallo alguno en la estructura que se implementó.

Figura 71. Desplazamiento

98

Coeficiente de Seguridad

El coeficiente o factor de seguridad es el más alto en casi todo el conjunto,

en la zona donde cambia el color el factor de seguridad baja pero aun así no

es suficiente la fuerza como para que haya algún tipo de deformación.

Figura 72. Coeficiente de seguridad

99

3.2.4.4. Resultados

Después de realizadas las pruebas teóricas o simulaciones se concluye que

los materiales elegidos son los correctos, la estructura que soporta el

conjunto implementado resistirá sin ninguna deformación el peso y

vibraciones que pueda producir el conjunto implementado en

funcionamiento.

Los resultados se resumen en la tabla 14.

Tabla 14. Resumen de resultados

Nombre Mínimo Máximo

Volumen 2976850 mm^3

Masa 23,7544 kg

Tensión de Von Mises 0,000136316 MPa 203,497 MPa

Primera tensión principal -30,922 MPa 183,821 MPa

Tercera tensión principal -210,391 MPa 33,5657 MPa

Desplazamiento 0 mm 0,507123 mm

Coeficiente de seguridad 1,35531 su 15 su

100

3.3. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE FRENOS AL

PROTOTIPO DE BUS ELÉCTRICO

Establecidos los elementos y materiales que se utilizaran se procede a la

instalación del nuevo sistema de vacío al autobús. Se detalla a continuación

el procedimiento que se realizó para la implementación del mismo.

3.3.1. ENSAMBLAJE MOTOR – BOMBA

Una vez que se adquirió tanto el motor eléctrico como la bomba de vacío de

acuerdo a las condiciones necesarias de trabajo de los frenos, se debe

construir una pieza mediante la cual se puedan acoplar ambos elementos.

Este elemento debe ser de un material el cual resista todas las fuerzas y

tensiones a las que está sometido, así pues se lo hizo de un acero de baja

aleación y alta resistencia, este material fue analizado en el capítulo anterior.

Identificado el material idóneo para su construcción, se fabricó dicha pieza,

la que consiste en un alza de forma cilíndrica la que permite que el motor

sea fijado por un lado y por otro la bomba, en su interior un eje estriado será

el encargado de comunicar el movimiento del motor a la bomba, el cual está

fabricado a medida y funciona con un cojinete que sirve como guía, permite

que el eje este moviéndose sin juego alguno.

Todos los elementos del acople están fabricados del mismo material descrito

anteriormente.

101

Figura 73. Fabricación eje estriado

Figura 74. Base donde se maquinará el acople de la bomba y motor

102

Figura 75. Estriado de la bomba de vacío

3.3.2. INSTALACIÓN DEL TANQUE DE VACÍO

Se decidió instalar el tanque de vacío junto al hidromaster, por sus

dimensiones y el espacio con el que se cuenta se lo va a fijar al bastidor del

autobús.

Debido a su funcionamiento el tanque no adquiere mayor peso que el de su

estructura y no necesita una base muy fuerte, de esta manera para su

implementación se utilizaron tres platinas de acero inoxidable de 45cm de

largo y 4 cm de ancho con 2mm de espesor.

Se empernó el tanque de vacío al bastidor del autobús en los tres puntos

mencionados con pernos hexagonales M6 grado 8.8 rosca métrica en su

parte inferior, es decir en la unión de la platina al tanque, con arandela plana

y tuerca de seguridad en su parte posterior. En la parte superior al unir las

platinas a la estructura del bastidor, por esta ser de un tubo de mayor

diámetro y al no ser necesario una resistencia a la fuerza muy grande se

utilizaron tornillos auto perforantes.

103

Los pernos hexagonales grado 8.8 rosca métrica tienen las características

que se observan en la tabla 15.

Tabla 15. Especificaciones Perno hexagonal grado 8.8 rosca métrica

Marca: 8.8

Rosca: MÉTRICA CON AJUSTE 6G

Especificación: SAE J-1199 GRADO 8.8

Material: ACERO MEDIO CARBONO

Dureza Rockwell C: 20 MIN 32 MAX

Acabado: - PAVONADO NEGRO

- GALVANIZADO ELECTROLÍTICO (ASTM – B 633)

(Ferremundo, 2014)

Figura 76. Características perno hexagonal grado 8.8 rosca métrica

(Ferremundo, 2014)

104

Figura 77. Instalación tanque de vacío

Figura 78. Tanque de vacío fijado al bastidor del autobús

105

3.3.3. INSTALACIÓN MOTOR ELECTRICO - BOMBA AL BASTIDOR

Para poder fijar el conjunto del motor eléctrico y la bomba de vacío al

autobús se fabricó una estructura metálica de acero inoxidable cuyas

características se describieron anteriormente y cuyo plano se observa en el

anexo VI.

De acuerdo al peso y fuerzas a las que está sometida esta estructura se

realizó una platina de 0.145 ∗ 0.23m con un ángulo en su parte posterior de

0.076m y un espesor de 6mm, diseño con el cual se permite aliviar las

cargas en la parte donde se empernará la estructura. Realizados los cálculos

de diseño se procede a la instalación de esta.

Con un taladro con broca de metal HSS-R D-38467 cuyas especificaciones

se muestran en la tabla 16 se perforó la platina en cinco puntos marcados y

ubicados en función del área de contacto que tendrán con el tubo del

bastidor, para aliviar cargas de la placa. Perforaciones ubicadas en su parte

superior, mientras que en la parte inferior de la placa se realizaron 4

perforaciones más para fijar el motor, la ventaja de este motor que se

implementó es que ya poseía una base la cual facilitó de gran manera su

colocación.

Terminadas las perforaciones en la placa se procedió de igual manera a

perforar el tubo del bastidor en los 5 puntos mencionados anteriormente.

Tabla 16. Características técnicas broca de metal HSS-R D-38467

Características Técnicas

Unidades por blíster 1

Diámetro 8.0 mm

Longitud total 117 mm

Longitud útil 75 mm

(makita, 2014)

106

Brocas indicadas para el taladrado de acero con resistencia máxima de 900

N/mm², hierro fundido, plásticos y metales no ferrosos. Mínimo riesgo de

rotura para diámetros pequeños gracias a la posibilidad de flexión del

material. (makita, 2014)

Una vez realizadas las perforaciones en la placa y en el tubo del bastidor se

coloca la placa y se procede a fijar la misma con pernos M8 grado 8.8 rosca

métrica cuyas especificaciones ya se mencionaron antes, se colocaron

además arandelas planas con el fin de minimizar el enclavamiento de la

cabeza del perno, además facilitan la aplicación del torque y sirven para

distribuir cargas sobre grandes áreas de los materiales de baja resistencia.

Finalmente se colocaron tuercas de seguridad en su parte posterior, este

tipo de tuercas son elementos diseñados para resistir el aflojamiento, sus

características los hacen un producto resistente a las condiciones de

vibración, frío o calor extremo y pueden ser utilizadas múltiples veces sin

perder su efectividad.

Una vez que la placa esta fija al bastidor se procedió a colocar el motor, ya

que el motor poseía una base original de fábrica se utilizó la misma para

fijarla a la placa por medio de 4 pernos M8 grado 8.8 rosca métrica así

también se utilizó arandelas planas y tuercas de seguridad de iguales

características a las que se utilizaron para fijar la placa al bastidor.

Figura 79. Instalación conjunto motor bomba vista frontal

107

Figura 80. Instalación conjunto motor bomba vista posterior

3.3.4. CONEXIÓN DE MANGUERAS DE VACÍO

La manguera H100 de un diámetro de 58⁄ de pulgada es la manguera que

se utilizó para realizar todas las conexiones de vacío del sistema.

Para su instalación se consideró que no existan codos, que la manguera no

se doble e impida el paso del vacío, así como también curvas pronunciadas.

Se instalaron mangueras entre los elementos intentando que las mismas

sean de la menor longitud posible para así evitar caídas de presión y fugas

de vacío que impedirían un buen funcionamiento del sistema.

Como las presiones no son elevadas para fijar las mangueras se utilizó

únicamente abrazaderas metálicas de diámetro similar al de las mangueras.

Considerando que el sistema produce vacío las mangueras por este efecto

tenderán a cerrarse a ajustar la tubería a donde están conectadas y sellarán

así herméticamente el sistema.

108

La manguera que se utilizó para la instalación en el sistema tiene las

características que se muestran en la tabla 17.

Tabla 17. Características manguera H100

Construcción Fabricada en caucho especial

modificado, con refuerzo de lona

interior y refuerzo textil exterior.

(Para soportar mayores

temperaturas)

Usos y recomendaciones

Mangueras de alta calidad,

diseñadas especialmente para

carga y descarga de aire, agua,

combustibles y demás derivados

del petróleo con temperaturas

elevadas.

Presión de trabajo 350 PSI

Temperatura de trabajo -35Cº / +130Cº

Presentación Desde 1/4" a 1" en rollos de 100 m.

(Ecuamangueras, 2014)

3.3.4.1. Conexión del tanque de vacío al hidromaster

Se conectó una manguera de vacío desde el tanque hacia el hidromaster,

esta permitirá que el vacío producido por la bomba y almacenado en el

tanque pase al hidromaster y se produzca el efecto de servofreno.

109

Figura 81. Instalación manguera del tanque de vacío al hidromaster

3.3.4.2. Conexión de la bomba al tanque de vacío

Se conectó una manguera desde la bomba hacia el tanque de vacío, en esta

conexión se utilizó una válvula check, esta válvula se encuentra a la salida

del tanque y permite que el vacío que se genera se mueva en una sola

dirección y que no se regrese dicha depresión.

Para realizar esta conexión a la salida de la bomba se tuvo que insertar una

acople de acero el cual permite poder instalas la manguera en la posición

deseada.

110

Figura 82. Instalación manguera de la bomba al tanque de vacío

Figura 83. Instalación manguera de la bomba al tanque de vacío

111

3.3.4.3. Conexión de la bomba al hidromaster

Se realizó una tercera conexión de vacío, se instaló una manguera que

conecta la bomba de vacío directamente con el hidromaster, esta conexión

se la realizo por seguridad, ya que así el vacío generado no pasa por el

tanque de almacenamiento.

Si alguna falla existiera en dicho tanque el vacío generado por la bomba

sería suficiente para mantener el sistema funcionando.

Figura 84. Instalación manguera de la bomba al hidromaster

112

3.3.5. INSTALACIÓN MANÓMETRO

Para revisar el buen funcionamiento del sistema se instaló un manómetro en

la salida del hidromaster, donde se puede hacer la medida más real posible,

ya que dicha presión entregada es la que directamente va hacia las zapatas

de las ruedas.

Se instaló un manómetro de glicerina de 70 Bar, ya que la presión máxima

que alcanza el sistema es de 40Bar, es de glicerina para que la aguja no se

mueva por efecto de vibraciones o fuerzas externas a las que mide.

El manómetro se lo colocó en lugar de un perno que sirve para el sangrado

del sistema al final del hidromaster, para esto se utilizó un acople hecho a la

medida, por cuestión de espacio y para que se pudiera tener una mejor

visibilidad de este elemento y las medidas a efectuar se realizó una conexión

que consistió en un codo desde la salida del hidromaster unido a un neplo a

continuación otro codo y finalmente el manómetro, con la particularidad que

para instalar este se utilizó un acople conocido como tuerca loca, este

elemento nos permite ajustar el manómetro a la línea hidráulica pero así

también moverlo de acuerdo a la posición que se requiera ubicar la cara

para observar la aguja fácilmente.

Todos los elementos que se utilizaron para la conexión que se describió son

de acero debido a la alta presión a las que están sometidos. Para unir dichos

elementos y que no haya fugas se lo hizo colocando teflón en cada roscado.

113

Figura 85. Instalación manómetro

3.3.6. INSTALACIÓN ELÉCTRICA

Para que el motor eléctrico funcione necesitamos de una fuente de poder

que provea al sistema de 24 voltios y 40 amperios.

La fuente de poder que se utilizó para la instalación del sistema es de dos

baterías provenientes de un banco de baterías del autobús.

Las baterías del banco del bus proveen cada una 12V y 115A, para poder

obtener el voltaje necesario que ponga en funcionamiento el motor se

conectaron dos baterías en serie, es decir conectar el borne positivo de una

batería con el borne negativo de la otra así el voltaje se sumara mientras que

el amperaje no se ve afectado, teniendo así en el sistema 24V y 115A.

114

Para esta conexión y todas las conexiones eléctricas que se describen más

adelante se utilizó un cable eléctrico N4, que se conoce comúnmente como

cable de baterías.

Las características del cable se resumen en la tabla 18.

Tabla 18. Características cable de baterías

Descripción

Conductor de cobre recocido

formado por un haz de filamentos

cableados y aislados con PVC

antillama flexible resistentes a la

abrasión y aceites.

Norma de fabricación

NBR 8762. Cables flexibles con

cobertura para máquinas de soldar.

Tensión de servicio 750 V.

Temperatura de operación 70 ºC.

Usos

Aplicación general en máquinas de

soldar de arco eléctrico, conexión

de baterías de corriente continua.

Presentación

En rollos de 100 metros o a pedido

del cliente.

Colores Negro y anaranjado.

(Electrocombol, 2014)

Una vez conectadas las baterías en serie, se conectó el motor a las baterías.

El borne negativo del motor al borne negativo de una de las baterías y de

igual manera con el borne positivo, pero la conexión de los positivos del

motor y baterías no se la hizo directamente, se cortó el cable y se conectó

primero a un breaker de 40A el cual funcionará como switch.

115

Se decidió colocar un breaker en lugar de un pulsador como medida de

seguridad, por si existiera alguna sobrecarga en el sistema el breaker saltará

protegiendo así al motor eléctrico.

El breaker o disyuntor es un aparato capaz de interrumpir o abrir un circuito

eléctrico cuando la intensidad de la corriente eléctrica que por él circula

excede de un determinado valor, o en el que se ha producido un

cortocircuito, con el objetivo de evitar daños a los equipos eléctricos.

(Hernández, 2012)

Se fijó el breaker al bastidor del autobús con tornillos como se observa en la

figura 86.

Figura 86. Instalación breaker

116

Figura 87. Instalación eléctrica

4. ANÁLISIS DE RESULTADOS

117

4.1. PRUEBAS, RESULTADOS Y ANÁLISIS

Debido a que el autobús no se puede encender porque carecemos de un

diagrama eléctrico del generador principal se procedió a hacer las pruebas

estáticas en el sistema de frenos del mismo.

Para realizar las pruebas que se detallan a continuación se instaló un

manómetro de glicerina, el cual nos permitirá medir el incremento y caída de

presión en el sistema.

Estas pruebas están documentadas en el video que se realizó el momento

de la entrega del sistema de frenos implementado al Ing. Mario Bermúdez

funcionario del Ministerio de Electricidad y Energía Renovable.

Se realizaron las siguientes pruebas al sistema de frenos.

4.1.1. SISTEMA DE VACÍO APAGADO

4.1.1.1. Objetivo

Se realizó esta prueba con el objetivo de verificar el buen funcionamiento del

circuito hidráulico, se quiere descartar cualquier tipo de fuga o depresión que

pudiera existir en el sistema, el cual pudiera impedir un frenado seguro y

eficaz.

La prueba se la realizó como se describe a continuación:

118

4.1.1.2. Procedimiento

Con el sistema de vacío apagado, se procedió a pisar el pedal del freno y se

observó en el manómetro la variación de la presión en el sistema.

Se realizó este procedimiento en tres distintas condiciones de frenado.

La primera condición de manejo es al aplicar un esfuerzo de frenado

suave y el tiempo de presión de pedal intermitente.

La segunda condición de manejo es al aplicar un esfuerzo de frenado

medio y el tiempo de presión de pedal continuo.

La tercera condición de manejo es al aplicar un esfuerzo de frenado

intenso, lo que comúnmente se conoce como frenado de pánico, es

decir aplastar el pedal con una fuerza máxima.

En cada condición de frenado se repitió el procedimiento descrito 5

ocasiones.

Al finalizar esta prueba se obtuvieron los siguientes resultados:

4.1.1.3. Resultados

De acuerdo a las distintas condiciones de frenado que se aplicaron se

obtuvieron los datos expuestos en la tabla 19.

119

Tabla 19. Resultados prueba 1

4.1.1.4. Análisis

Una vez tabulados los datos obtenidos en la prueba 1 y al comparar con el

valor que se calculó matemáticamente por medio de la fórmula [22].

P1 = 3.52Bar, se comprobó que la bomba de frenos se encontraba en buen

estado por la presión que entregó.

La presión se mantuvo constante mientras el pedal estuvo presionado, al

momento de realizar las mediciones no existieron caídas de presión,

deducimos así que el sistema hidráulico está funcionando perfectamente, no

existen fugas en el sistema.

Se notó también que el pedal del freno se encuentra duro y es debido a que

no hay acción del servofreno.

La presión que se mide es la que nos entrega únicamente la fuerza del

conductor al presionar el pedal, y activar la bomba, presión que es

transmitida por medio del líquido de frenos.

120

Figura 88. Manómetro en cero prueba 1

Figura 89. Manómetro en la prueba 1 marcando 8Bar

4.1.2. SISTEMA DE VACÍO ACTIVO

4.1.2.1. Objetivo

Al realizar esta prueba se quiere comprobar que el sistema de vacío que se

instaló está funcionando eficazmente, que cada uno de los nuevos

121

elementos instalados son los adecuados y que cumplen los parámetros

establecidos en los cálculos que se efectuaron previamente.

Así también demostrar el efecto de servofreno que realiza el sistema, el cual

debe suavizar el pedal, reducir el esfuerzo que realiza el conductor para

frenar y lo más importante una gran multiplicación de la presión que es

enviada hacia las bombas de las ruedas para frenar el vehículo.


Se encendió el sistema de vacío que se instaló, por medio de un braker que

se colocó por seguridad en la instalación eléctrica, se esperó

aproximadamente de 10 a 15 segundos hasta que la bomba de vacío

cargara el tanque y el efecto de servo fuera el ideal.

Una vez que las condiciones de prueba se establecieron se procedió a pisar

el pedal del freno y se observó en el manómetro la variación de la presión en

el sistema.

De igual manera como en la prueba anterior se realizaron las medidas en las

tres condiciones de frenado. Se obtuvieron los siguientes resultados.

4.1.2.3. Resultados

De acuerdo a las distintas condiciones de frenado que se aplicaron se

obtuvieron los datos expuestos en la tabla 20.

122

Tabla 20. Resultados prueba 2

4.1.2.4. Análisis

Una vez tabulados los datos obtenidos en la prueba 2 y al comparar con el

valor que se calculó matemáticamente por medio de la fórmula [30].

P2 = 35.22Bar, se puede aseverar que el sistema de vacío que se instaló

está funcionando correctamente por la presión que se alcanzó.

La bomba de vacío está generando una depresión que permite una alta

multiplicación de la presión en el sistema.

El tanque de vacío es de la capacidad adecuada y está trabajando de la

forma esperada, las medidas no presentaron caídas de presión, no existió

disminución en la misma, por lo que se concluye que el tanque esta sellado

herméticamente y almacena el vacío como se planificó.

El pedal del freno se suavizó y así el esfuerzo que debe realizar el conductor

para frenar.

123

Se observó una gran diferencia de presión, una multiplicación de

aproximadamente 4 veces la medida tomada sin el vacío.

Figura 90. Manómetro en cero prueba 2


124


Una vez obtenidos los resultados de esta prueba podemos decir que el

sistema instalado está funcionando eficazmente y se procede a realizar una

prueba dinámica.

4.1.3. DINÁMICA DE GIRO DE FRENADO

4.1.3.1. Objetivo

Se realizaron ya las pruebas de las presiones en el sistema de frenos, pero

estas son netamente estáticas, con esta prueba de giro se quiere demostrar

que el sistema si está frenando las ruedas, que se observe de manera

práctica y real como la rueda se detiene al momento de presionar el pedal.

125


Para realizar la prueba dinámica de giro se levantó la rueda posterior

izquierda del bus con una gata hidráulica y se colocaron caballetes para que

la llanta no esté en contacto con el piso, una vez que la rueda se encontraba

suspendida se procedió a mover la misma, lógicamente esta empezó a girar

y al estar en movimiento se pisó el pedal del freno, inmediatamente la rueda

dejo de girar, se detuvo por completo.

Detenida la llanta por efecto del freno se aplicó nuevamente fuerza y no se

consiguió movimiento, se soltó ahora el pedal de freno mientras la fuerza

seguía siendo aplicada y la llanta empezó a girar.

4.1.3.3. Resultados

Realizada la prueba se observó de manera práctica que el sistema de frenos

está funcionando, la rueda se detiene al instante que se presiona el pedal.

La fuerza aplicada a la llanta no fue suficiente para mover la llanta una vez

que se presionó el pedal del freno.

4.1.3.4. Análisis

Finalizada la prueba y observando los resultados que se obtuvieron se

puede afirmar que el sistema de frenos del prototipo de bus eléctrico está

funcionando perfectamente.

El nuevo sistema de frenos que se instaló permite que el bus tenga la

presión necesaria para una frenada segura, así se demostró con la prueba

dinámica de giro realizada.

126

Mediante la prueba dinámica de giro se observó realmente que los frenos del

prototipo de bus eléctrico están funcionando ya que se comprobó como la

llanta se detenía por completo al momento de presionar el pedal, efecto que

debe realizar al momento de la conducción cuando el autobús necesite

detenerse.

Figura 93. Giro de rueda

Figura 94. Rueda frenada

127

Una vez realizadas todas las pruebas al sistema de frenos, tanto de

presiones como de dinámica de giro y al obtener los datos que se registraron

anteriormente concluimos que los elementos instalados permitieron que los

frenos funcionen de una manera correcta y eficaz.

El sistema instalado provee al autobús la fuerza y presión necesaria para

detenerlo por completo en las condiciones calculadas.

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

128

5.1. CONCLUSIONES

Se determinó y se implementó el adecuado sistema de frenos en el

prototipo de bus eléctrico, se comprobó su buen funcionamiento y por

medio de un acta de entrega y recepción se hizo la entrega oficial del

conjunto implementado al Ingeniero Mario Bermúdez representante del

Ministerio de Electricidad y Energía Renovable del Ecuador.

Se desarrolló una investigación, un análisis y finalmente un informe

técnico a lo largo del presente trabajo monográfico donde se detallan las

características de los elementos y materiales utilizados, así como

también se demuestra porque fueron implementados los mismos.

Los elementos y materiales que conforman el nuevo sistema de frenos

del prototipo de bus eléctrico son los idóneos, ya que se determinaron a

partir de un estudio exhaustivo de las fuerzas, presiones y condiciones de

trabajo a las que estarán sometidos.

Se comprobó que los elementos instalados permiten que los frenos

funcionen de una manera correcta y eficaz. El nuevo sistema de frenos

del prototipo de bus eléctrico provee la fuerza necesaria para detener al

mismo por completo en las condiciones calculadas.

129

5.2. RECOMENDACIONES

Por seguridad el motor eléctrico del sistema implementado debe estar

conectado directamente al generador principal, es decir cuando se

enciende el motor principal se enciende automáticamente el sistema de

vacío y de igual manera cuando se apaga el motor se apaga el sistema

instalado.

Todas las pruebas y cálculos que se realizaron son netamente estáticos,

el momento que se quiera poner en funcionamiento el bus deben hacerse

calibraciones y pruebas dinámicas al sistema.

Es de gran utilidad realizar el diseño del sistema con la ayuda de un

software como “Autodesk Inventor” que nos permite realizar simulaciones

reales y cálculos de esfuerzos y tensiones.

El proyecto debe ser considerado como tema de posteriores

investigaciones ya que hay varios sistemas que no se encuentran

funcionando, con el objetivo que en el futuro el prototipo de bus eléctrico

sea funcional.

El prototipo de bus eléctrico se encuentra en una bodega donde las

condiciones no son las ideales para trabajar, se debe firmar un acuerdo

en el que permitan que el prototipo sea trasladado a las instalaciones de

la Universidad Tecnológica Equinoccial donde con seguridad se pondrá a

funcionar el mismo con brevedad y eficacia.

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I.pdf

ANEXOS

134

Anexo I

Acta de entrega recepción del sistema implementado

en el autobús

135

Anexo II

Plano acople de la bomba

136

Anexo III

Plano bomba de vacío

137

Anexo IV

Plano eje de la bomba

138

Anexo V

Plano motor eléctrico

139

Anexo VI

Plano estructura de fijación

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