DISEÑO DE UN DISPOSITIVO DE ACCIONAMIENTO Y CONTROL PARA SISTEMAS DE INYECCIÓN DIESEL EUI-UPS
PORTADA
EDWIN FABIÁN BARBOSA RODRÍGUEZ
FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA FACULTAD DE INGENIERÍAS
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C
2017
DISEÑO DE UN DISPOSITIVO DE ACCIONAMIENTO Y CONTROL PARA SISTEMAS DE INYECCIÓN DIESEL EUI-UPS
EDWIN FABIÁN BARBOSA RODRÍGUEZ
Proyecto integral de grado para optar al título de INGENIERO MECÁNICO
FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA FACULTAD DE INGENIERÍAS
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C
2017
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NOTA DE ACEPTACIÓN __________________________________ __________________________________ __________________________________ __________________________________ __________________________________
_________________________________ Presidente del Jurado Ing. Carlos Octavio Urrego Rodriguez
_________________________________ Jurado 1 Ing. Ricardo Gabriel López Martínez
_________________________________ Jurado 2 Ing. Juan Fernando Echeverry Perico
Bogotá D.C. 31 de enero de 2017
4
DIRECTIVAS DE LA UNIVERSIDAD
Presidente de la Universidad y Rector del Claustro Dr. Jaime Posada Díaz
Vicerrector de Desarrollo y Recursos Humanos Dr. Luis Jaime Posada García-Peña
Vicerrectora Académica y de Posgrados Dra. Ana Josefa Herrera Vargas
Secretario General Dr. Juan Carlos Posada García-Peña
Decano Facultad de Ingenierías Ing. Julio César Fuentes Arismendi
Director del Programa de Ingeniería Mecánica Ing. Carlos Mauricio Veloza Villamil
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Las directivas de la Universidad de América, los jurados calificadores y el cuerpo docente no son responsables por los criterios e ideas expuestas en el presente documento. Estos corresponden únicamente al autor.
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Gracias a Dios por haberme permitido realizar mis estudios profesionales y por concederme a mis padres, que son mi apoyo incondicional, a mi madre por ser la que siempre me dio apoyo y medios para llevar a cabo este proyecto, y me enseñó que las metas se consiguen con esfuerzo y mucha dedicación, a mi padre por enseñarme el bello arte de laboratorista de sistemas de inyección Diesel en el que se ha desempeñado por los últimos 30 años me enseñó que el camino difícil y estrecho es el más satisfactorio al final.
Edwin Fabian Barbosa Rodríguez
DEDICATORIA
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Agradecimientos especiales al LABORATORIO OMEGA DIESEL LTDA por depositar su confianza en mí para dirigir y llevar a cabo este proyecto, al Ingeniero Automotriz Uriel Fernando Rodriguez director de TECNAUTO por su instrucción y orientación en este proyecto, además a Edison Munevar técnico electromecánico quien con su experiencia aporto valiosas ideas para el diseño del mismo.
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CONTENIDO
pág.
INTRODUCCIÓN 18
1. GENERALIDADES 19
1.1 MERCADO DE MAQUINARIA ESPECIALIZADA PARA PRUEBA DE
UNIDADES EUI-UPS. 19
1.1.1 Equipos BOSCH 19
1.1.2 Equipos KDIESEL-MONEA 20
1.1.3 Equipo NOVA DITEX SPARTAN 21
1.2 PRESTACIÓN DE SERVICIOS A UNIDADES INYECTORAS EN
LABORATORIOS 22
2. SITUACIÓN PROBLEMICA ACTUAL 24
2.1 EN LA EMPRESA 24
2.2 SITUACIÓN ACTUAL DEL PROCESO EN LA EMPRESA 25
2.2.1 Servicios por reclamaciones 29
2.2.1.1 Presentada por el cliente 29
2.2.1.2 Presentada por el laboratorio al proveedor 29
3. GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE INYECCIÓN DIESEL EUI-UPS 31
3.1 SISTEMA DE ACCIONAMIENTO 31
3.2 SISTEMA DE CONTROL 31
3.3 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE 35
3.4 SISTEMA DE INYECCIÓN EUI. 35
3.5 SISTEMA DE INYECCIÓN UPS 38
3.6 PRUEBAS DE DIAGNÓSTICO Y PUESTA A PUNTO DEL DISPOSITIVO 39
4. PARÁMETROS BÁSICOS DE DISEÑO PARA UN ÓPTIMO
FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA 41
4.1 PARÁMETROS BÁSICOS DEL DISPOSITIVO 41
4.2 SISTEMA MECÁNICO 42
4.2.1 Eje Central 42
4.2.2 Carcasa del Dispositivo 42
4.3 SISTEMA ELECTRÓNICO 42
4.3.1 Sensores 43
4.3.2 Instrumentos de Visualización 43
4.3.3 Generación de Pulsos 43
9
4.4 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE 44
5. DISEÑO CONCEPTUAL Y PLANTEAMIENTO DE ALTERNATIVAS 45
5.1 DISEÑO CONCEPTUAL 45
5.2 PLANTEAMIENTO DE ALTERNATIVAS 46
5.2.1 Alternativa 1 47
5.2.2 Alternativa 2 47
5.2.3. Alternativa 3 48
5.3 SELECCIÓN DE ALTERNATIVA 48
5.3.1 Método de selección 48
6. DISEÑO DETALLADO 51
6.1 LEVA 51
6.1.1 Sección cicloidal 52
6.1.2 Sección armónica 54
6.1.3 Análisis estático 59
6.1.4 Esfuerzos por contacto 66
6.2 EJE CENTRAL 74
6.2.1 Selección de rodamientos 84
6.2.2 Diseño de la cuña 86
6.3 PASADOR IMPULSADOR 89
6.4 SISTEMA DE SUJECIÓN 95
6.5 SISTEMA ELECTRÓNICO 99
6.6 SELECCIÓN DE ACOPLE 100
7. SIMULACIÓN MEDIANTE ELEMENTOS FINITOS 101
7.1 EJE CENTRAL 101
7.2 CARCASA 104
7.3 PLATINA DE SUJECIÓN 108
7.4 CUERPO DEL IMPULSADOR 110
8. MANUAL DE OPERACIÓN 112
8.1 INSUMOS 120
9. EVALUACIÓN FINANCIERA 121
9.1 COSTOS DE INGENIERÍA 121
9.2 COSTOS DE MANUFACTURA 122
9.3 COSTOS OPERACIONALES ACTUALES 123
9.4 COSTOS OPERACIONALES CON PROYECTO 124
9.5 ANÁLISIS FIINANCIERO 126
10. CONCLUSIONES 128
10
11. RECOMENDACIONES 129
ANEXOS 132
BIBLIOGRAFIA 130
11
LISTA DE TABLAS
pág.
Tabla 1. Parámetros básicos del dispositivo 41 Tabla 2. Variables de entrada 51 Tabla 3. Desplazamiento del seguidor 53 Tabla 4. Magnitudes máximas del perfil de leva 59
Tabla 5. Cargas del sistema 66 Tabla 6. Variables de entrada esfuerzo de contacto 67
Tabla 7. Fuerza de fatiga superficial para leva y seguidor del mismo material 71
Tabla 8. Variables de esfuerzo por contacto 73 Tabla 9. Propiedades mecánicas AISI 4340 79 Tabla 10. Factores de confiabilidad 80
Tabla 11. Duración rodamientos 85 Tabla 12. Diámetros mínimos del eje central 86 Tabla 13. Tamaño de la cuña 87
Tabla 14. Variables de entrada sistema de 95 Tabla 15. Propiedades fundición gris G60 104
Tabla 16. Propiedades mecánicas AISI 1020 108 Tabla 17. Ficha técnica dispositivo 112
Tabla 18. Costos de talento humano 121 Tabla 19. Gastos de maquinaria y equipos 121
Tabla 20. Gastos fungibles 121 Tabla 21. Costos de ingeniería 122 Tabla 22. Costos de fabricación 122
Tabla 23. Inversión total 123 Tabla 24. Costos por operarios actuales 123 Tabla 25. Costo actual de operación 124
Tabla 26. Costo por operario con proyecto 124 Tabla 27. Costos por mantenimiento 125 Tabla 28. Costos por energía consumida 125 Tabla 29. Costos totales con proyecto 125
Tabla 30. Flujo de efectivo costos actuales 126 Tabla 31. Flujo de efectivo con proyecto 126
Tabla 32. Diferencia costos actuales vs con proyecto 126
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LISTA DE FIGURAS
pág.
Figura 1. Cam-box 847 BOSCH 19 Figura 2. Banco de Pruebas Bosch EPS-815 20 Figura 3. Cam Box KDIESEL MONEA 20
Figura 4. Simulador con puerto de serie 20 Figura 5. Simulador automático 21
Figura 6. Cam Box Nova Ditex Spartan 21
Figura 7. Bosch-Delphi ECU 22 Figura 8. Causas de Reclamaciones 25 Figura 9. Principales Causas de Reclamaciones 26
Figura 10. Principales Emisiones de Gases 26 Figura 11. Mapa de Proceso de Servicio a Sistemas EUI-UPS 28 Figura 12. Jerarquía del Servicio por Reclamación 29
Figura 13. Sistemas de Accionamiento 31 Figura 14. Fases de la Electroválvula 32
Figura 15. Manejo Electrónico EUI-UPS 33 Figura 16. Circuito de Alimentación de Combustible 35
Figura 17. Unidad Inyectora Tipo EUI 36 Figura 18. Etapas de funcionamiento sistema EUI 37
Figura 19. Unidad Inyectora Tipo UPS 38 Figura 20. Montaje Unidad Inyectora Tipo UPS 39 Figura 21. Componentes del sistema electrónico 43
Figura 22. Banco de pruebas universal 44 Figura 23. Bancada banco de pruebas 46 Figura 24. Unidades Inyectoras EUI-UPS 46
Figura 25. Sistema de sujeción 47 Figura 26. Sistema de sujeción rápida 47 Figura 27. Sistema de sujeción mecánico 48 Figura 28. Perfil de leva en subida 54
Figura 29. Perfil de caída lenta 55 Figura 30. Perfil de la leva 55
Figura 31. Diagrama de cuerpo libre leva-seguidor 60 Figura 32. Elementos cilíndricos en contacto 66 Figura 33. Ancho de huella y distribución de esfuerzos 67 Figura 34. Valores de dureza en el cuerpo de la leva 73 Figura 35. Diagrama de cuerpo libre eje central 75
Figura 36. Plano Y-Z diagrama de cuerpo libre 75 Figura 37. Diagrama fuerza cortante-momento flector 78 Figura 38. Diseño esquemático eje central 81 Figura 39. Concentradores de esfuerzo 82
13
Figura 40. Pasador del Impulsador 89 Figura 41. Diagrama de cuerpo libre pasador 91 Figura 42. Plano neumático del sistema de sujeción 95 Figura 43. Plano red neumática 97
Figura 44. Plano eléctrico 99 Figura 45. Etapa pre-procesamiento eje 101 Figura 46. Esfuerzos hertzianos 102 Figura 47. Área de contacto esfuerzos hertzianos 103 Figura 48. Desplazamiento 103
Figura 49. Etapa pre-procesamiento carcasa 104 Figura 50. Desplazamiento carcasa inferior 105
Figura 51. Esfuerzo Von Mises carcasa inferior 105
Figura 52. Etapa pre-procesamiento carcasa superior 106 Figura 53. Esfuerzos Von Mises carcasa superior 107 Figura 54. Desplazamiento carcasa superior 107
Figura 55. Fase pre-procesamiento platina 108 Figura 56. Desplazamiento platina 109 Figura 57. Esfuerzo Von Mises platina 109
Figura 58. Fase de pre-procesamiento cuerpo impulsador 110 Figura 59. Desplazamiento cuerpo impulsador 111
Figura 60. Esfuerzo Von Mises cuerpo impulsador 111 Figura 61. Protección auditiva 113
Figura 62. Protección visual 113 Figura 63. Calzado de seguridad 114
Figura 64. Protección corporal 114 .
14
LISTA DE GRÁFICAS
pág.
Gráfica 1. Desplazamiento del seguidor 56 Gráfica 2. Velocidad del seguidor 57 Gráfica 3. Aceleración del seguidor 58
Gráfica 4. Resistencia a la fatiga en función de la resistencia a la tensión 79 Gráfica 5. Factor de tamaño 80
Gráfica 6. Resistencia a la fatiga 92
Gráfica 7. Diámetro de tubería 97 Gráfica 8. Longitudes supletorias 98 Gráfica 9. Flujo de efectivo del proyecto 126
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LISTA DE CUADROS
pág.
Cuadro 1. Rutina de diagnóstico 22 Cuadro 2. Fallas en las Unidades Inyectoras 27 Cuadro 3. Variables Físicas del Manejo Electrónico 34
Cuadro 4. Criterios de evaluación 49 Cuadro 5. Ponderación de criterios 49
Cuadro 6. Escala de importancia 49
Cuadro 7. Matriz de cálculo selección de alternativa 50 Cuadro 8. Características red neumática 99 Cuadro 9. Rutina de preparación para uso del dispositivo 115
Cuadro 10. Recomendaciones durante la operación 120 Cuadro 11. Insumos Personales 120 Cuadro 12. Insumos especializados 120
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LISTA DE ANEXOS
pág.
Anexo A. Propiedades del ASTM 134 Anexo B. Propiedades mecánicas acero AISI 1045 136 Anexo C. Propiedades mecánicas acero AISI 4340 138
Anexo D. Catalogo rodamientos para eje central 140 Anexo E. Cilindros neumáticos 142
Anexo F. Propiedades AISI 1020 144
Anexo G. Catalogo SKF retenedores 146 Anexo H. Cotización sensor piezo-eléctrico 148 Anexo I. Cotización sistema neumático 150
Anexo J. Cotización AutoTools 152 Anexo K. Catálogo Acople 156
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RESUMEN
En este proyecto de grado se presenta el diseño de un dispositivo completo para las labores de puesta a punto de las unidades inyectoras Diesel, cumpliendo a satisfacción los requerimientos básicos por parte del Laboratorio Omega Diesel Ltda., empresa interesada en el mismo. Se evaluaron alternativas de diseño en el sistema de sujeción de las unidades inyectoras al dispositivo, haciendo que la tarea de montaje y desmontaje fuera eficiente para el técnico-operador. Después de identificar las alternativas se realizó una evaluación para seleccionar aquella que cumpliera con los requerimientos por parte de la empresa. Con base en el diseño detallado del dispositivo, se realizó el diseño específico para cada uno de los elementos que están involucrados en el proceso de accionamiento, se evaluaron los esfuerzos permisibles de cada elemento mediante cálculos de resistencia de materiales y algunos de ellos mediante análisis de elementos finitos. Se elaboró el manual de operación del dispositivo, recomendaciones de uso y aspectos importantes para tener en cuenta, además se elaboraron planos y finalmente se realizó una evaluación financiera del proyecto para visualizar la viabilidad del proyecto. PALABRAS CLAVE: Diseño, Inyectores Diesel EUI-UPS, Diesel electrónicos, Dispositivo Diesel.
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INTRODUCCIÓN
Es de resaltar la importancia del proceso de diagnóstico y puesta a punto de las unidades inyectoras Diesel en los Laboratorios especializados en sistemas de inyección Diesel de control electrónico. El diagnóstico como principal recurso para identificar fallas y/o anomalías a través de maquinaria especializada que permita al técnico-operador el control y visualización de variables para comparar valores fuera de rango. El incremento de reclamaciones por concepto de reparación de unidades inyectoras EUI-UPS en el Laboratorio Omega Diesel Ltda se ha debido a falta de maquinaria para el proceso de diagnóstico y puesta a punto, esto se ha convertido en un problema para la organización. La necesidad de ofrecer un servicio de calidad que no incluya reclamaciones por el servicio prestado origina la implementación de nuevas estrategias para la mitigación de dicho problema. En vista de las dificultades presentadas, la empresa Laboratorio Omega Diesel Ltda, ha solicitado realizar el diseño de un dispositivo de accionamiento y control, el cual permitirá el diagnóstico y puesta a punto de unidades inyectoras Diesel con tecnología EUI-UPS. Sin embargo, los dispositivos actuales en el mercado no son la solución más viable para su problema debido a que su precio es elevado y no cuentan con la practicidad que se requiere; es por ello que surgió la idea de desarrollar un proyecto como trabajo de grado, cuyo objetivo principal fuera el “Diseño de un dispositivo de accionamiento y control para sistemas de inyección Diesel EUI-UPS”, el cual tiene como objetivos específicos: Diagnosticar la situación actual del proceso de diagnóstico, reparación y puesta
a punto de las unidades inyectoras EUI-UPS dentro del laboratorio
Analizar el funcionamiento de los sistemas de inyección Diesel EUI-UPS
Establecer parámetros básicos de funcionamiento y control del sistema
Establecer el diseño conceptual y planteamiento de alternativas
Desarrollar el diseño detallado del sistema mecánico de accionamiento y
estructura del dispositivo
Simular el análisis de esfuerzos presentes en el eje central
Elaborar planos de fabricación, eléctricos, de control y de conjunto
Elaborar el manual de operación
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1. GENERALIDADES
1.1 MERCADO DE MAQUINARIA ESPECIALIZADA PARA PRUEBA DE
UNIDADES EUI-UPS.
En la actualidad existen tres compañías pioneras y líderes en la fabricación de dispositivos de accionamiento y control para sistemas de inyección Diesel EUI-UPS, todos ellos, en principio, tienen la misma teoría de funcionamiento, se diferencian unos de otros especialmente en dos aspectos: facilidad de control e interpretación de la información y accesorios disponibles para el acople y alimentación de combustible en función de la marca fabricante. 1.1.1 Equipos BOSCH. El CAM-box 847, mostrado en la figura 1, es un dispositivo
de accionamiento mecánico que trabaja en paralelo con el banco de pruebas EPS-
815 de BOSCH, mediante el cual es posible realizar diagnóstico y puesta a punto
de sistemas de inyección: inyector-bomba (EUI) y de bomba unitaria (UIS, PLD). El
banco de pruebas EPS-815 de BOSCH, figura 2, es el encargado de regular la
unidad electrónica del inyector y/o bomba unitaria, de esta manera simula las
señales digitales enviadas por la ECU en el motor.
Figura 1. Cam-box 847 BOSCH
Fuente: [LOPEZ Y LOPEZ] Lopez y Lopez. SERVICIO OFICIAL BOSCH DIESEL CENTER. Inicio. [Consultado el 2/1/20172017]. Disponible en: http://www.lopezylopez.com.ar/main.php
El banco de pruebas EPS-815 de BOSCH es una máquina universal para el diagnóstico de sistemas de inyección Diesel, bombas de inyección de control mecánico y electrónico y sistemas de alta presión con riel común (Common Rail System).1 1 [Anónimo]Lopez y Lopez .: SERVICIO OFICIAL BOSCH DIESEL CENTER. [Consultado el
3/29/20162016]. Disponible en: http://www.lopezylopez.com.ar/main.php
20
Figura 2. Banco de Pruebas Bosch EPS-815
Fuente: [BOSCH] Banco De Comprobación De Componentes EPS 815. [Consultado el 2/1/20172017]. Disponible en: http://es-ww.bosch-automotive.com/
1.1.2 Equipos KDIESEL-MONEA. El dispositivo Cam Box de KDIESEL MONEA, mostrado en la figura 3, está diseñado para ser un dispositivo fácil de usar y amigable con el técnico que lo trabaja. Tiene la posibilidad de trabajar con una potencia mínima de 10HP con dos posibles opciones de control electrónico.
Figura 3. Cam Box KDIESEL MONEA
FUENTE: [KDIESEL] KDIESEL - Spare Parts for Diesel Injection System. [Consultado el 2/1/20172017]. Disponible en: http://www.kdiesel.it/eng/Cambox.asp
El simulador, mostrado en la figura 4, brinda la posibilidad de interactuar con el ordenador del técnico para poder visualizar datos gráficos de las variables controladas, además entrega reportes para imprimir.
Figura 4. Simulador con puerto de serie
Fuente: [KDIESEL] KDIESEL - Spare Parts for Diesel Injection System. [Consultado el 2/1/20172017]. Disponible en: http://www.kdiesel.it/eng/Cambox.asp
21
Este simulador proporciona total automatización de los pulsos eléctricos para los sistemas de inyección Diesel UIS-EUI con una gran cobertura, desde los sistemas electromagnéticos hasta los piezoeléctricos; además es funcional para pruebas en los inyectores de sistemas Common Rail electromagnéticos y piezoeléctricos.2 Es posible observarlo en la figura 5.
Figura 5. Simulador automático
Fuente: [KDIESEL] KDIESEL - Spare Parts for Diesel Injection System. [Consultado el 2/1/20172017]. Disponible en: http://www.kdiesel.it/eng/Cambox.asp
1.1.3 Equipo NOVA DITEX SPARTAN. El Cam Box Kit de la marca italiana Nova Ditex, mostrado en la figura 6, es un dispositivo de diagnóstico y control para sistemas de inyección Diesel UIS, UPS, PDE, PLD y EUI; este debe trabajar en conjunto con el banco de pruebas que le proporciona revoluciones al dispositivo para poder realizar pruebas. Figura 6. Cam Box Nova Ditex Spartan
Fuente: [NOVA DITEX] Equipment Catalogue. [Consultado el 2/1/20172017]. Disponible en: http://www.ditex.it/english/equipment-catalogue.html
El dispositivo trabaja en conjunto con unidades para realizar pruebas dependiendo del fabricante del sistema de inyección (Bosch, Delphi); esta trabaja como una ECU en el motor, emitiendo pulsos eléctricos para el control electrónico de los sistemas de inyección EUI-UPS.3 En la figura 7 es posible apreciar el módulo ECU generador de pulsos.
2 [Anónimo]KDIESEL - Spare Parts for Diesel Injection System. [Consultado el 3/30/20162016].
Disponible en: http://www.kdiesel.it/eng/ 3 [Anónimo]Ditex. [Consultado el 3/30/20162016]. Disponible en: http://www.ditex.it/
22
Figura 7. Bosch-Delphi ECU
Fuente: [NOVA DITEX] Equipment Catalogue. [Consultado el 2/1/20172017]. Disponible en: http://www.ditex.it/english/equipment-catalogue.html
1.2 PRESTACIÓN DE SERVICIOS A UNIDADES INYECTORAS EN
LABORATORIOS
Un laboratorio diesel, es una empresa dedicada a la prestación de servicios de mantenimiento, diagnóstico, reparación y puesta a punto de sistemas de inyección diesel convencionales y electrónicos. El sistema de inyección dentro de un motor diesel, en general, sigue un mismo principio de funcionamiento y variará de acuerdo con cada uno de los fabricantes de automotores; está conformado por una bomba de alta presión e inyectores, los cuales trabajan en conjunto para lograr un único objetivo, la correcta entrega de combustible, garantizando así una correcta dosificación de combustible a una presión determinada.
Con motivo de preservar la vida útil de los sistemas de inyección Diesel, altamente frágiles a la contaminación del combustible, el mantenimiento preventivo de los automotores con estos sistemas de inyección es el más apropiado para su correcto funcionamiento y preservación; sin embargo, actualmente el 90% de las labores de mantenimiento en un laboratorio Diesel se realiza a través de mantenimiento reparativo, sólo grandes empresas siguen un plan de mantenimiento preventivo, es por esto que el veredicto de un diagnóstico por parte del técnico y/o Ingeniero encargado debería tener en cuenta lo que en el cuadro 1 se muestra. Cuadro 1. Rutina de diagnóstico
Fuente: RODRIGUEZ, Fernando Uriel. Curso De Diagnóstico Profesional Motores Diesel De Control Electrónico. Nivel 3. 2015.
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Para los pequeños y medianos laboratorios que han decidido atacar la nueva unidad
estratégica de negocio de los sistemas de inyección diesel EUI-UPS se están
volviendo muy frecuentes las reclamaciones por el servicio prestado, algunas veces
por falta de conocimiento teórico y en la mayoría de las veces por carencia de
maquinaria especializada para el correcto diagnóstico y puesta a punto de las
unidades inyectoras; maquinaria, que si se le diera un valor cuantitativo de peso
dentro de la prestación de servicios, abarcaría un 80%, siendo el 20% el
conocimiento teórico-práctico.
Sin embargo y debido a la carencia de recursos por parte de los pequeños y medianos laboratorios, el acceder a maquinaria especializada y de calidad es un factor complicado. Metodologías de resolución de problemas que apuntan a conocimientos adquiridos empíricamente y en algunos casos a través de programas certificados por entidades fabricantes de automotores, son las únicas herramientas con las que cuenta un técnico que se enfrente a un problema en un motor diesel de control electrónico con tecnología EUI-UPS. Por otro lado, los grandes y reconocidos laboratorios que cuentan con dicha maquinaria especializada ofrecen un elevado precio por prestación de servicios, en paralelo con los pequeños y medianos empresarios; éstos en un afán de expandir sus unidades estratégicas de negocio deciden incursionar con sistemas de inyección EUI-UPS sin tener la maquinaria especializada para ofrecer un servicio completo, subcontratan la prestación de servicios de los grandes laboratorios, en donde una vez las unidades inyectoras estén reparadas el grande empresario verificará variables y realizará pruebas de funcionamiento en maquinaria especializada antes de ser instalada en el vehículo del cliente, garantizando así tranquilidad para el pequeño y mediano empresario por el servicio que están ofreciendo y por el que han subcontratado. Para algunos medianos laboratorios está resultando fácil el adquirir maquinaria especializada proveniente de fabricantes orientales, realizando una inversión no tan alta para poder acceder a ésta maquinaria especializada, sin embargo, se encuentran con el problema de que dicha maquinaria no resulta ser tan útil como ellos esperaban, con lo que acarrean un problema más, volviendo al mismo problema de las reclamaciones del cual partieron.
24
2. SITUACIÓN PROBLEMICA ACTUAL
En este capítulo se presenta el diagnóstico de la situación actual del servicio a sistemas de inyección EUI-UPS, haciendo referencia a los datos recolectados correspondientes a servicios prestados por reclamaciones. 2.1 EN LA EMPRESA
“El LABORATORIO OMEGA DIESEL LTDA, nace en el año 2008, por dos personas que con su conocimiento, experiencia, honestidad, visión y esfuerzo creyeron en hacer empresa. La cual fue creada inicialmente para el mantenimiento y reparación de sistemas de inyección Diesel en bombas universales. Se dieron a conocer en el mercado por el sistema voz a voz, poco a poco se fueron posicionando como un laboratorio que emplea asesoría necesaria a quien la requiera, manejan repuestos originales, cuentan con herramientas de última tecnología, mano de obra calificada y sobretodo cumplen con los tiempos de entrega en sus trabajos, permitiendo así que sus clientes tengan mayor confiabilidad y respaldo. Somos una empresa que trabaja a nivel local con proyección nacional, actuando bajo el liderazgo y experiencia de sus profesionales, que desde sus inicios se han esforzado y preparado diariamente para cumplir con los requerimientos administrativos, técnicos y operacionales de cada uno de sus clientes. El LABORATORIO OMEGA DIESEL tiene como VISIÓN convertirse en una empresa líder y en continuo crecimiento. será reconocida por su calidad de servicio, cumplimiento y valores agregados que les pueda brindar a sus clientes. El LABORATORIO OMEGA DIESEL cumple con la MISIÓN de atender las necesidades de sus clientes de manera eficiente y confiable ofreciendo un servicio de calidad, brindando así la orientación que requieran. Cuenta con un equipo de trabajo calificado para realizar diagnóstico, mantenimiento y reparación de los sistemas de inyección Diesel.”4
4 Laboratorio Omega Diesel Ltda. Portafolio De Servicios Laboratorio Omega Diesel. 2010.
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2.2 SITUACIÓN ACTUAL DEL PROCESO EN LA EMPRESA
Para el LABORATORIO OMEGA DIESEL LTDA la atención de reclamaciones por unidades inyectoras Diesel EUI-UPS, que se llamarán “UI”, ha crecido de manera constante desde el momento en que se decidió incursionar con este frente de negocio. La falencia se da en principio por carencia de maquinaria especializada para la prestación del servicio de puesta a punto de las UI. A través del tiempo, se han identificado las principales causas de reclamaciones, mostradas en la Figura 8. Figura 8. Causas de Reclamaciones
En la figura 9 se muestra que, por cada 10 reclamaciones se atendieron 5 por pérdida de potencia en el motor, 3 por consumo inestable de combustible, 1 por desbalance en el motor y 1 por emisiones excesivas de combustible; siendo material particulado el principal producto de emisiones excesivas, figura 10. Las pruebas realizadas incluyen, pruebas de ruta, diagnóstico con escáner y experiencia profesional, para el análisis de gases se cuenta con la ayuda del software especializado de Volvo “Truck Diagnostic System”, el cual permite identificar los niveles de emisión del motor, contando con presencia del sensor de NOx. En el cuadro 2, se muestran cuáles son las principales fallas que pueden presentarse dentro de las UI y que no están dentro de los parámetros establecidos por el fabricante.
26
Figura 9. Principales Causas de Reclamaciones
Figura 10. Principales Emisiones de Gases
10%
10%
50%
30%
CAUSAS DE RECLAMACIONES
Desbalance delMotor
Emision Excesiva deGases
Pérdida de Potencia
Consumo Inestablede Combustible
50%
5%5%
40%
EMISIONES DE GASES
Material Particulado
Óxidos de Nitrogeno
Dióxido de Carbonoy Monóxido deCarbono
Gases de Escapericos enHidrocarburos
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Cuadro 2. Fallas en las Unidades Inyectoras
El 80% de las actividades pertenecientes al servicio prestado por el laboratorio, las realiza él mismo; según la figura 11, sólo el 20% es externo; sin embargo, ese porcentaje tiene un elevado peso en el desempeño final de la unidad inyectora. El 20% pertenece a actividades de puesta a punto en donde se verifican y reprograman las principales variables de las UI en el banco de pruebas. En servicio, ellos se encargan de verificar dichas variables y entregar el producto final en óptimas condiciones para su correcto funcionamiento. El laboratorio puede garantizar tan sólo el 80% de las actividades que realizan para la puesta a punto de las UI, sin embargo, a la hora de entregar el producto final deberá responder por el 100%, incurriendo en gastos adicionales si el servicio correspondiente al 20% del proveedor externo no se realizó de la mejor manera. Adicionalmente, la carente tecnología por parte del laboratorio externo es una debilidad que se está viendo reflejada en la imagen del LABORATORIO OMEGA DIESEL Ltda.
VARIABLE FALLA CAUSA CONSECUENCIA
Fugas Aguja del
inyector
Válvula Poppet
Plunger
Inductancia de
la bobina fuera
de rango
Distancia de la
ferrita de la
bobina
Distancia en
reposo de
válvula poppet
VARIABLES FUERA DE PARÁMETROS
Presión
InternaPresión de
Apertura
Tiempo
Dosificando
Respuesta de
Apertura y
Cierre
Parámetros de caudal
fuera de rango
Atraso o adelanto de
la inyección
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En la Figura 11, se especifica cual es el actual proceso de la prestación del servicio a UI: Figura 11. Mapa de Proceso de Servicio a Sistemas EUI-UPS
Fuente: Laboratorio Omega Diesel Ltda.
La externalización en parte del servicio a UI se encuentra justificada de acuerdo con la situación actual; el servicio es necesario externalizarlo debido a la carencia de maquinaria especializada para la puesta a punto de las UI. La maquinaria que cumple a satisfacción todos los requerimientos, claramente se encuentra fuera del alcance actual del laboratorio, equipos con tecnología inferior pero más asequible hace parte de la solución. El laboratorio externo al cual se envían las UI posee un equipo de puesta a punto de baja tecnología, sin los aditamentos necesarios para el correcto tratamiento de los sistemas, sin embargo, esta fue en su momento la mejor opción. Por otro lado, se encuentran los grandes laboratorios con tecnología de punta y con todos los aditamentos necesarios para la puesta a punto de las UI, sin embargo, de inmediato fue descartado debido al elevado precio que se cobra por la puesta a punto de las estas unidades, traduciéndose así mismo en bajo margen de utilidad para el laboratorio.
29
2.2.1 Servicios por reclamaciones. Los servicios por concepto de reclamaciones a
UI Diesel se rigen bajo la jerarquía mostrada en la figura 12. Se hace referencia a
cuáles son los tipos de reclamaciones actuales en el laboratorio, en qué casos se
presta y en cuáles no.
Figura 12. Jerarquía del Servicio por Reclamación
2.2.1.1 Presentada por el cliente. Las reclamaciones presentadas por el cliente se
traducen a términos técnicos para que se puedan evaluar internamente; en
reclamaciones no justificadas se encuentra el combustible contaminado, debido a
que la asepsia de las líneas de alimentación de combustible no puede ser
garantizada por el laboratorio, siendo este un factor externo al proceso de
remanufacturación y puesta a punto, sin embargo, se hace la recomendación de
limpieza y montaje de filtros nuevos.
El periodo de garantía del servicio se extiende por 3 meses a partir de la fecha de montaje de las UI al vehículo; es justificada la reclamación cuando las variables se encuentran fuera de parámetro y cuando el repuesto es de mala calidad.
2.2.1.2 Presentada por el laboratorio al proveedor. Hacen referencia exclusivamente
a defectos de fabricación del repuesto suministrado, aproximadamente, la garantía
otorgada por los proveedores se extiende por 3 meses. Si se cumple con el
requisito, el proveedor suministrará otro repuesto nuevo de la misma especificación
para ser reemplazado.
Reclamación
Presentada por Cliente
Justificada
Variables Fuera de Parámetro
Repuestos de Mala Calidad
No Justificada
Combustible de Mala Calidad
Vencimiento de Términos de Garantía
por Servicio
Presentada por Laboratorio al
Proveedor
JustificadaRepuesto de Mala
Calidad
No Justificada
Vencimiento de Términos de Garantía por
Repuesto
Mal Armado
30
Es evidente de acuerdo con lo anterior que, existe un gran problema dentro del proceso de servicio a UI, afectando directamente la calidad del servicio prestado, traduciéndose así mismo, en una inconformidad del cliente con el resultado final. La disminución de flujo de trabajo por concepto de sistemas de inyección Diesel EUI y UPS ha disminuido en el último año debido principalmente a la falta de calidad en el servicio prestado; el LABORATORIO OMEGA DIESEL LTDA es consciente de los errores del servicio prestado.
La intención del diseño radica en la obtención de información de distintos fabricantes para poder crear patrones específicos de puesta a punto para las UI, es decir, inicialmente no se contará con valores técnicos de puesta a punto preestablecidos, puesto que el LABORATORIO OMEGA DIESEL LTDA no cuenta con dicha información técnica, para ello es necesario tener el dispositivo en físico y obtener información de cada uno de los fabricantes con UI nuevas para así poder completar una caracterización técnica de patronamiento para las futuras puestas a punto de UI.
31
3. GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE INYECCIÓN DIESEL EUI-UPS
La incursión de la electrónica a través de los años ha sido de gran importancia para el aumento en el rendimiento, confiabilidad y seguridad en los motores Diesel; hoy por hoy “la presencia de una UEC (Unidad Electrónica de Control) para regir el funcionamiento de la inyección dio lugar a aumentar su estructura y a encomendarle muchas más funciones que van más allá de la misma inicial pretensión del control de la inyección.”5 Los sistemas EUI (Electronic Unit Injector) o UIS (Unit Injector System), y los UPS (Unit Pump System) son modernos sistemas de inyección Diesel aplicados desde automóviles hasta grandes motores marinos. Los dos sistemas trabajan bajo efectos físicos similares, un sistema de accionamiento por leva excéntrica y un sistema de control electrónico comandado directamente por la ECU (Electronic Unit Control) del motor.
3.1 SISTEMA DE ACCIONAMIENTO
Para ambos casos, EUI y UPS, el sistema de accionamiento se realiza mediante una leva acoplada directamente al eje de levas del motor, el movimiento circular allí producido es convertido en un movimiento lineal que transmite energía directamente a un pistón intensificador, el cual hará las veces de bomba de alta presión, incrementando así la presión del fluido hasta su salida. Figura 13. Figura 13. Sistemas de Accionamiento
Fuente: BOSCH. Electronic Unit Injectors & Unit Pumps PDF. [Consultado el 06/25/2016]
5DE CASTRO, Miguel. Gestión Electrónica De La Inyección Diesel: Equipos Bosch VE y VP,
Equipos Lucas DPC-FT, Regulación, Control y Avería. Grupo Planeta (GBS), 2002. 208 páginas p. ISBN 843291214X
32
3.2 SISTEMA DE CONTROL
Regulado directamente por la ECU o ECM del motor, el sistema de control de las UI es el encargado de habilitar o deshabilitar el paso de combustible hacia la cámara de alta presión; compuesto por una electroválvula o solenoide que al ser excitada por magnetismo atrae una válvula, llamada Poppet, esta se encarga de crear sello hidráulico para el incremento de presión dentro de la cámara de alta presión, como lo muestra la figura 14. Figura 14. Fases de la Electroválvula
Fuente: BOSCH. Electronic Unit Injectors & Unit Pumps PDF. [Consultado el 06/25/2016]
El manejo electrónico de la válvula Poppet desde el momento en que la ECU envía pulsos eléctricos involucra una serie de procedimientos físicos mostrados en la figura 15, allí se pueden apreciar 7 gráficas distintas que ilustran las variables físicas que intervienen en la inyección de combustible de las UI, ello es posible gracias a un osciloscopio, que con ayuda de sensores específicos transmiten la información para que sea visualizada en la pantalla. Es allí en donde se ponen a punto las UI, sólo con la ayuda de dichas gráficas.
33
En la figura 15, las gráficas n° 7 y 3, quedan excluidas en una futura prueba en el dispositivo, ya que estas sólo son mostradas cuando el sistema se encuentre en el motor. La gráfica n° 7 hace referencia a la posición del cigüeñal y la n° 3 a una señal informática que reconoce la ECU cuando la válvula poppet ha salido de su reposo. Además, en el cuadro 3 se puede apreciar la descripción de cada una de las gráficas de la figura 15.
Figura 15. Manejo Electrónico EUI-UPS
Fuente: RODRIGUEZ, Fernando Uriel.
Curso De Diagnóstico Profesional Motores Diesel De Control Electrónico. Nivel 3.
[Consultado el 06/10/2016]
34
Cuadro 3. Variables Físicas del Manejo Electrónico
Identificación
1
2
3
4
5
6
7
A
B
C
D
E
F
G
Elevación de la aguja en el
inyector
Orden de inyección,
activación de válvula
magnética
Trayecto de la corriente en
electroimán
Identificación del cierre
Movimiento del cuerpo de la
válvula
Presión de inyección en el
inyector
Amplitud del pulso
Inicio eléctrico de la inyección
Inicio real de la inyección
Variables Físicas
U (Voltaje); t (Tiempo)
I (Corriente); t (Tiempo)
U (Voltaje); t (Tiempo)
µm (micras); t (Tiempo)
P (Presión); t (Tiempo)
µm (micras); t (Tiempo)
Registro de modificación del
ángulo (RPM)
Descripciones Gráficas
Carrera previa
Carrera de alimentación
Carrera residual
Tiempo de reacción
t (Tiempo)
t (Tiempo)
Descripción del Fenómeno
El pulso eléctrico que la ECU envía
para que se energize la válvula
solenoide.
La carga y saturación de la bobina, la
saturación es regida por el tope
máximo de recorrido de la válvula
poppet.
Es un reconocimiento interno de
característica informático que realiza
la ECU para saber que esta cerrada
la válvula.
Ilustra el desplazamiento que tiene el
cuerpo de la válvula una vez
energizada.
Con ayuda de sensores de tipo piezo
eléctricos y un osciloscopio se
pueden apreciar los picos de máxima
presión e inyecciones Hace referencia al desplazamiento
que tiene la aguja o tobera del
inyector tan pronto como va a realizar
la inyección de combustible.
El CKP (Crankshaft Position), un
sensor de tipo inductivo, registra las
revoluciones e identifica la posición
de los pistones para que la ECU
envíe pulsos eléctricos a los
inyectores.
U (Voltaje); t (Tiempo)
t (Tiempo)
t (Tiempo)
t (Tiempo)
t (Tiempo)
t (Tiempo)
Indica el inicio de inyección sobre la
cámara de combustión la diferencia
entre F y G (F-G= Demora real en
inyección).
Ilustra el rango de tiempo en donde
se da la carrera de alimentación.
Es un rango de tiempo previo a la
carrera de alimentación y posterior a
la carrera residual.
Hace referencia al tiempo de
dosificación de la unidad inyectora
(Tiempo dosificando).
Indica en donde se vuelve a iniciar el
ciclo.
Hace referencia al tiempo en que
tarda en llegar la señal que envía la
ECU a la válvula solenoide.
Indica el inicio el momento en el que
se envía el pulso eléctrico sobre la
válvula solenoide
35
3.3 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE
El circuito de alimentación mostrado en la figura 16, ilustra los principales y más comunes elementos que conforman un sistema de alimentación y retorno a tanque. El combustible, en este caso ACPM (Aceite Combustible Para Motores) se encuentra alojado en el tanque o depósito, de allí es succionado por medio de la bomba de transferencia que obliga al flujo a pasar por el filtro primario o sedimentador de agua, el flujo continúa hacia los filtros secundarios con una presión de 1,034 MPa (150 psi) aprox. Una vez filtrado el combustible por los filtros secundarios, es dirigido directamente hacia la cámara de baja presión del inyector, allí el combustible restante de la inyección es retornado al tanque nuevamente. En caso de que en el sistema se encuentren burbujas de aire atrapadas, la bomba eléctrica de cebado se encargará de purgar el sistema de baja presión para su correcto funcionamiento. Figura 16. Circuito de Alimentación de Combustible
Fuente: TECSUP. Motores De Combustión Interna. PDF.[Consultado el 06/28/2016] Disponible en:www.maquinariaspesadas.org
3.4 SISTEMA DE INYECCIÓN EUI.
De sus siglas en inglés (Electronic Unit Injector), es un sistema moderno de inyección Diesel, “este fue incorporado en 1998 en el vehículo Volkswagen Passat”6. Actualmente son los sistemas que permiten alcanzar mayor presión de inyección 206,842 MPa (30000 psi) aproximadamente, poseen un diseño compacto en donde se encuentran alojados en una misma carcasa la bomba de alta presión y el inyector. Dentro de las funciones básicas del sistema se destacan; 1) tiempo de
6 GOMEZ JIMENEZ,David. Unidad Bomba - Inyector Para Motores Diesel. Sistema UIS.
[Electronic(1)]:2004
36
dosificación de combustible, 2) elevar la presión del combustible, 3) atomizar el combustible y 4) inyectarlo a la cámara de combustión. Anteriormente, el sistema se ha cargado con combustible proveniente del depósito para llenar la cámara de baja presión de la unidad inyectora, esto es posible gracias a la posición de reposo del muelle de la válvula poppet. Una vez la leva entra en contacto con la unidad inyectora la ECU envía un pulso eléctrico para que ésta sea atraída por efectos magnéticos y salga de su estado de reposo. Cuando la válvula poppet se encuentra fuera de posición de reposo la leva se encuentra desplazando el pistón intensificador, aumentando constantemente la presión del fluido. Un muelle calibrado se encuentra alojado en la sección de inyección, quien es vencido por efectos de la alta presión del combustible, permitiendo de este modo liberar el combustible hacia el depósito del inyector, una vez la presión cae, el muelle calibrado vuelve a la posición de reposo y la tobera del inyector se encarga de pulverizar y liberar el combustible hacia la cámara de combustión. En la figura 17 es posible apreciar los componentes principales de una unidad inyectora EUI. Figura 17. Unidad Inyectora Tipo EUI
Fuente: TECSUP. Motores De Combustión Interna. PDF.[Consultado el 06/28/2016] Disponible en:www.maquinariaspesadas.org
Explicado gráficamente, como se puede apreciar en la figura 18, se pueden de manera simplificada ver las etapas de funcionamiento de la unidad inyectora.
37
Figura 18. Etapas de funcionamiento sistema EUI
Fuente: BOSCH. Electronic Unit Injectors & Unit Pumps PDF. [Consultado el 06/25/2016]
“Suministro de combustible. El pistón intensificador se encuentra en reposo por
efectos del muelle de accionamiento, el flujo de combustible que suministra la
bomba de transferencia directamente del tanque llena la cámara de baja presión
de la unidad inyectora.
Inicio de inyección. La excéntrica empieza a entrar en contacto con el pistón
intensificador y este empieza a descender, aún no se ha cerrado el retorno hacia
el tanque, es decir, la válvula Poppet se encuentra todavía en su posición de
reposo.
Inyección Principal. La ECU energiza la bobina alojada en el control electrónico
y atrae la válvula Poppet hacia ella e inmediatamente crea un sello hidráulico
para el aumento de la presión ocasionado por el descenso del pistón
intensificador, la presión del combustible de 300 bar aproximadamente, en la
cámara de alta, vence a la del muelle calibrado de la tobera y permite la
atomización en inyección del combustible hacia la cámara.
Descarga de Presión. Tan pronto como la inyección es realizada, la bobina se
desmagnetiza y la válvula Poppet retorna a su posición de reposo, permitiendo
así el alivio de presión dentro de la cámara de la unidad inyectora.”7
7 : ANÓNIMO. Electronic Unit Injectors & Unit Pumps PDF. [Consultado el 06/25/2016]
38
3.5 SISTEMA DE INYECCIÓN UPS
De sus siglas en inglés (Unit Pump System), se refiere a los sistemas de inyección con bombas de alta presión independientes para cada cilindro, es decir, para cada inyector. Se caracterizan fundamentalmente porque el inyector y la bomba de alta presión se encuentran separados, uno alojado en la cámara de combustión y el otro en el bloque del motor solidario al eje de levas para su accionamiento, como se muestra en la figura 19. Sus principales elementos no difieren mucho de las UI EUI, por lo que son dos diseños de similar principio de funcionamiento. Figura 19. Unidad Inyectora Tipo UPS
Fuente: BOSCH. Electronic Unit Injectors & Unit Pumps PDF. [Consultado el 06/25/2016]
El principio de funcionamiento es igual al de las UI tipo EUI, son accionadas mecánicamente por un eje de levas, reguladas electrónicamente mediante pulsos de la ECU y su circuito de combustible es el mismo. El montaje en el motor del vehículo tiene cierta particularidad y es que las bombas de alta presión y los inyectores, alojados en la culata del motor, están unidos mediante una tubería de alta presión, encargada de conducir el combustible presurizado directamente a los inyectores.
39
La presión de apertura del inyector a la cámara de combustión sobrepasa los 179,263 MPa (26,000 psi), muy similar a los sistemas EUI. En la Figura 20 se puede apreciar el montaje y la línea de alimentación de combustible del sistema. Figura 20. Montaje Unidad Inyectora Tipo UPS
Fuente: BOSCH. Electronic Unit Injectors & Unit Pumps PDF. [Consultado el 06/25/2016]
Actualmente se encuentran en grandes cilindradas de motores diesel.
3.6 PRUEBAS DE DIAGNÓSTICO Y PUESTA A PUNTO DEL DISPOSITIVO
Las unidades inyectoras trabajan bajo tres circunstancias básicas, sin embargo, algunos fabricantes realizan pruebas extras de diagnósticos y puesta a punta; aquí se nombran las más usuales y las mínimas recomendadas por los fabricantes:
Velocidad de arranque, es la velocidad mínima necesaria para que el motor se
ponga en funcionamiento, las unidades inyectoras deben suministrar una
cantidad mínima necesaria de combustible para que el motor salga de su estado
de reposo.
40
Velocidad ralentí o mínima, es la velocidad mínima que necesita el motor para
mantenerse encendido, las unidades inyectoras dosifican la entrega de
combustible para que este no quede en valores fuera de rango; acelerado en
mínimo o bajo de revoluciones que no puede mantenerse encendido, el rango
es establecido por el fabricante de la unidad inyectora.
Plena carga, es la velocidad en la cual el motor entrega el máximo torque, es allí
donde se requiere mayor exigencia por parte del mismo para cumplir las
exigencias necesarias. Las unidades inyectoras deben entregar el correcto
volumen de combustible, una variación en la dosificación se ve representado en
la potencia, emisiones de gases (humo negro excesivo en caso de elevado
consumo de combustible).
41
4. PARÁMETROS BÁSICOS DE DISEÑO PARA UN ÓPTIMO
FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
En este capítulo se establecieron las principales variables que se cuantificaron en el dispositivo final, además se especificaron los sistemas mecánicos, electrónicos y de control, esenciales para emular el funcionamiento de las UI. Se fundamentó en el principio de funcionamiento de un motor diesel con sistemas de inyección EUI-UPS. 4.1 PARÁMETROS BÁSICOS DEL DISPOSITIVO
El proyecto está fundamentado en el diseño del banco de pruebas diesel universal, es decir, se partió del diseño del mismo porque es allí donde se hizo el montaje del dispositivo objeto del proyecto. El banco de pruebas cuenta con un sistema de alimentación de combustible y un sistema motriz para rotación del eje central, es por ello que estos dos sistemas no hicieron parte del diseño del dispositivo, simplemente se utilizaron para el objetivo del mismo, además, cuenta con instrumentos de medición para cuantificar caudales por tiempo. Es de gran importancia reducir el tiempo en el montaje de las UI en el dispositivo por lo que un sistema de sujeción fue el de mayor importancia para el diseño final del mismo. La necesidad de soportar las cargas a las que está sometido este sistema debido al paso de la leva por el resorte de la UI y además para la eficacia en el proceso de montaje y desmontaje, fue fundamental para la seguridad del proceso y del técnico-operador, es por eso que es allí donde se hizo mayor hincapié para el diseño del dispositivo. El dispositivo tiene la capacidad de sensar variables como la presión y el tiempo de dosificación de la inyección del combustible, las cuales se muestran en tabla 1, a continuación. Tabla 1. Parámetros básicos del dispositivo
VARIABLE RANGO UNIDADES
Presión 30-180 (3000-26000) MPa (Psi)
Frecuencia 1 MHz
42
4.2 SISTEMA MECÁNICO
4.2.1 Eje Central. Es el elemento mecánico principal del dispositivo, ya que es el
encargado de transformar el movimiento circular procedente del motor eléctrico de
un banco de pruebas, en un movimiento rectilíneo alternativo por efectos de una
leva, para el accionamiento de las UI; siempre está en contacto con la unidad para
que la excéntrica cumpla la función de accionar el mismo. Este eje cuenta con un
diente falso para identificar la posición de la leva, es decir, para que el técnico
mediante una pantalla visualice en que momento la UI debe estar haciendo la
inyección de combustible. Esto se logra con la ubicación de un sensor de tipo
inductivo sobre el diente falso que identifica cuando este pase por la zona de
reconocimiento del sensor.
Para el diseño del eje es indispensable conocer cuáles son las condiciones de trabajo de las UI, estableciendo así las cargas a las que estará sometido el eje central por efecto de los muelles o resortes y por la carga producida al aumentar la presión del combustible dentro de la cámara de alta presión.
4.2.2 Carcasa del Dispositivo. Cumple esencialmente tres funciones; 1) alojar el eje
central, 2) seguridad para el operario al momento del accionamiento y 3) evitar el
ingreso de agentes contaminantes que puedan afectar la vida útil del eje central.
4.3 SISTEMA ELECTRÓNICO
Éste es indispensable para el control y regulación del caudal de inyección hacia las UI; es necesario que cuente con subsistemas que permitan sensar variables físicas que intervienen en el funcionamiento de la unidad y graficar y/o visualizar lo que pasa con las mismas en el tiempo; por ello es importante contar con aditamentos electrónicos que permitan al técnico encargado la correcta y óptima puesta a punto de las UI. Como lo muestra la figura 21, se enuncian cuáles son aquellos aditamentos necesarios para lograr lo mencionado anteriormente. Cabe resaltar que los aditamentos electrónicos se encuentran en el mercado, en éste proyecto se enuncian cuáles son aquellos que son necesarios para que formen parte del dispositivo.
43
Figura 21. Componentes del sistema electrónico
4.3.1 Sensores. Son instrumentos capacitados para la detección de magnitudes
físicas o químicas en un proceso continuo de transformación de materia. Dentro del
dispositivo juegan un papel importante; son los encargados de suministrar
información de las variables de inyección y graficarlas en los instrumentos de
visualización. El dispositivo cuenta con un sensor piezo-eléctrico con un rango de
captación de 30-180 MPa (3000-26000 Psi).
4.3.2 Instrumentos de Visualización. Específicamente el osciloscopio, este permite
registrar las oscilaciones de las ondas y poder visualizarlas en una pantalla, ello
facilita la labor al técnico especialista, quien a través de este identifica los
parámetros básicos de funcionamiento de las UI, creando así un reporte técnico y
justificado del estado y entrega de las unidades. Es importante tener en cuenta la
velocidad de captación del mismo para el dispositivo se estima en 1 MHz, debido a
que la velocidad de inyección de combustible alcanza valores de microsegundos;
por esta razón la velocidad se expresa en MHz.
4.3.3 Generación de Pulsos. La generación de pulsos eléctricos para la activación
y desactivación de las bobinas de las UI con característica de pulso cuadrado,
incorporando un sensor de tipo inductivo para señalizar la posición de la leva.
4.3.4 Otros. Es necesario el uso de una pinza amperimétrica, con un rango estimado de 0-60 A para la medición de flujo de electrones a través de los cables que van hacia la bobina de la unidad inyectora.
SIST
EMA
ELE
CTR
ÓN
ICO
Sensores
Instrumentos de Visualización
Generación
44
4.4 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE
El banco de pruebas garantiza una presión de suministro constante a las UI mínimo de 414 kPa (60 Psi) hasta 2,07 MPa (300 Psi) aproximadamente, además está potenciado con un motor de 20 HP. Se puede variar la presión según sea el fabricante de las UI. En la figura 22, se puede apreciar el banco del que el Laboratorio Omega Diesel Ltda dispone para el montaje del dispositivo para las UI.
Cabe resaltar que el sistema de alimentación de combustible no hace parte del diseño de este proyecto, por lo anteriormente mencionado.
Figura 22. Banco de pruebas universal
45
5. DISEÑO CONCEPTUAL Y PLANTEAMIENTO DE ALTERNATIVAS
Para realizar el diseño del dispositivo de accionamiento y control para las UI, y con ello ofrecer una solución viable y lógica, es necesario realizar un análisis de los requerimientos básicos necesarios por parte del Laboratorio Omega Diesel Ltda, extrayendo de ello posibles alternativas de diseño del dispositivo que sean viables y que por medio de un análisis de multicriterio se seleccione aquella que cumpla con dichos requerimientos básicos.
5.1 DISEÑO CONCEPTUAL
Se tuvieron en cuenta el diseño y disponibilidad de espacio de la bancada del banco de pruebas universal, además de las dimensiones de las unidades inyectoras más grande en el mercado actual, mostrado en la figura 23 y 24 sistema bomba inyector y sistema bomba unitaria, con el que el Laboratorio Omega Diesel Ltda cuenta, tratando de realizar un diseño compacto y eficiente. El factor más importante del diseño del dispositivo fue la labor de puesta a punto de las UI la cual debe realizarse lo más eficiente y controlada posible antes de que las UI sean instaladas de nuevo en el vehículo del cliente; con ello se está garantizando que las UI están en condiciones óptimas de servicio y así lograr reducir en lo máximo las reclamaciones por parte del cliente, además es necesario que el técnico encargado tenga todas las herramientas mínimas necesarias para llevar a cabo una excelente puesta a punto de las UI como: control de variables (ver cuadro 2 capítulo 2) (tiempo de dosificación, volumen de entrega y presión de apertura), representación de las mismas y reportes finales de estado. Para el Laboratorio Omega Diesel Ltda es necesario que el dispositivo cumpla con los siguientes requerimientos básicos:
El factor crítico del diseño del dispositivo es el sistema de sujeción de las UI
El mantenimiento del dispositivo no debe acarrear elevados costos
El dispositivo debe tener un diseño compacto y eficiente
El dispositivo debe tener bajo costo de fabricación
El dispositivo debe ser de fácil manufactura
Seguridad de operación
El dispositivo debe ser fácil de operar
46
Figura 23. Bancada banco de pruebas
Figura 24. Unidades Inyectoras EUI-UPS
5.2 PLANTEAMIENTO DE ALTERNATIVAS
Las alternativas de diseño están enfocadas al sistema de sujeción de las UI, ya que para el Laboratorio Omega Diesel Ltda. es esencial la mitigación de las pérdidas de tiempo y agilidad en el proceso de montaje y desmontaje de las UI en el dispositivo, siendo, este sistema el crítico desde el punto de vista de mejora de las máquinas actuales en el mercado.
47
5.2.1 Alternativa 1: Sistema de Sujeción Neumático. En ella se propone la sujeción
de las UI mediante dos cilindros neumáticos, como lo muestra la figura 25, los cuales
pueden ser accionados por el técnico mediante un pulsador, reduciendo en lo
posible los tiempos en el montaje y desmontaje de las UI; una placa solidaria a los
cilindros y a las UI sirve de soporte y base para el montaje de las mismas. El sistema
neumático debe contrarrestar la fuerza de reacción causada por los resortes de las
UI al momento del paso de la leva por los mismos, además permite al técnico
facilidad y eficacia en el montaje de las UI
Figura 25. Sistema de sujeción neumático
5.2.2 Alternativa 2: Sistema de Sujeción Rápida. Esta alternativa se denomina
“sistema de sujeción rápida” y consta de un sistema de palanca y fijación rápida,
como se puede apreciar en la figura 26, donde por medio de la acción mecánica se
deberá conseguir la fuerza mínima necesaria para mantener la unidad inyectora
completamente inmóvil, haciendo el proceso seguro y eficaz; además el técnico-
operador tiene la posibilidad de graduar la longitud necesaria del gancho, según sea
el caso y dimensiones de la UI, esto proporciona un ahorro considerable de tiempo
en el montaje y desmontaje de la UI.
Figura 26. Sistema de sujeción rápida
48
5.2.3. Alternativa 3: Sistema de Sujeción Mecánico. Es el sistema más simple que
se puede considerar, en donde las UI se sujetan por medio del torque suministrado
a las tuercas que se encuentran encima de la platina, además cuenta con dos
columnas que contrarrestarán la fuerza de reacción causada por el paso de la leva
por la UI, como se puede apreciar en la figura 27. Esta alternativa acarrea un tiempo
mayor de montaje y desmontaje en comparación con las dos presentadas
anteriormente, además si se desea la puesta a punto de seis UI, los tiempos de
entrega son más elevados aún.
Figura 27. Sistema de sujeción mecánico
5.3 SELECCIÓN DE ALTERNATIVA
Se explicará el método de puntaje ponderado utilizado para la evaluación y selección de la alternativa de diseño adecuada que cumpla con los requerimientos básicos del dispositivo.
5.3.1 Método de selección. El método del Scoring para evaluación y selección de la
mejor alternativa para el diseño “es una manera rápida y sencilla para identificar la
alternativa preferible en un problema de decisión multicriterio”8. El método da una
serie de pasos para la evaluación y selección de la mejor alternativa de diseño. En
el momento en el que se establezcan los criterios de evaluación, los cuales fueron
sugeridos por parte del Laboratorio (cuadro 5), se procede a la asignación de un
valor numérico en una escala del 1 al 5, siendo el 5 el mayor puntaje, ver cuadro 6.
8 ROCHE, Hugo y VEJO, Constantino. Métodos cuantitativos aplicados a la administración 2005
49
Cuadro 4. Criterios de evaluación
NÚMERO CRITERIOS DE EVALUACIÓN
1 Facilidad en el montaje de las UI
2 Seguridad
3 Mantenimiento
4 Complejidad del diseño
5 Costo
6 Facilidad en la manufactura
7 Facilidad de operación Cuadro 5. Ponderación de criterios
PONDERACIÓN DE CRITERIOS
1 Muy poco importante
2 Poco importante
3 Importancia media
4 Algo muy importante
5 Muy importante
Además, se asigna un rating con base en la satisfacción brindada por cada una de las alternativas de diseño mostrado en el cuadro 7.
Cuadro 6. Escala de importancia
RATING DE SATISFACCIÓN
1 Extra bajo
2 Muy bajo
3 Bajo
4 Poco bajo
5 Medio
6 Poco alto
7 Alto
8 Muy alto
9 Extra alto
50
Cuadro 7. Matriz de cálculo selección de alternativa
ALTERNATIVAS
NÚMERO CRITERIOS DE EVALUACIÓN
PONDERACIÓN 1 2 3
Wi ri1 ri2 ri3
1 Facilidad en el montaje de las UI
5 9 8 4
2 Seguridad 4 8 8 9
3 Mantenimiento 2 6 9 9
4 Complejidad del diseño 4 7 5 8
5 Costo 4 5 9 8
6 Facilidad en la manufactura
4 8 8 9
7 Facilidad de operación 5 9 6 5
SCORE Sj 214 208 199
Se concluye por la evaluación realizada en el cuadro 8 que de acuerdo con los requerimientos básicos por parte del Laboratorio Omega Diesel Ltda. la alternativa que mejor los cumple es la 1; “Sistema de sujeción neumático”
51
6. DISEÑO DETALLADO
En este capítulo se lleva a cabo el diseño detallado de cada uno de los componentes
del dispositivo (eje central, leva, impulsador, pasador del impulsador), basado en
las dimensiones estandarizadas de los bancos de pruebas universales, visto en el
capítulo 5 figura 23, y en el funcionamiento básico las UI.
6.1 LEVA Para el diseño de la leva se parte por crear el perfil de la misma para establecer el
recorrido que tendrá el seguidor y que a su vez accionará la unidad inyectora de
combustible, es por ello que en primera medida se realiza un acercamiento a un
perfil de leva de un vehículo que incorpora esta tecnología; además basados en
información técnica del tema se concluye que las principales variables de entrada
que se cuentan para el diseño del perfil de la leva son las mostradas en la tabla 2.
Tabla 2. Variables de entrada
PARÁMETRO UNIDAD VALOR
Velocidad del eje de levas r/min 1050
Desplazamiento máximo del seguidor mm 18
Duración máxima de la inyección ° Árbol de Levas 20
Diámetro del elemento mm 12
Presión de apertura del inyector Mpa 33 Fuente: TAO,Qiu, et al. Optimising the cam profile of an electronic unit
pump for a heavy-duty diesel engine.
Estos valores se toman de la lectura de las revoluciones del cigüeñal (2.100 RPM)
cuando un motor Diesel está desarrollando su máximo valor de par.
Es importante resaltar que el perfil de la leva deberá cumplir variables de entrada
para el diseño.
Para la determinación del perfil de la leva se usa el método gráfico para el diseño
de perfiles de levas mostrado en el libro “Teoría de máquinas y mecanismos de
Joseph Shigley” y “Cam design handbook”, y a través del software de generación
de levas Autodesk Inventor 2016.
El diseño del perfil de la leva estará basado en dos secciones; cicloidal de subida
rápida y armónico de caída lenta, siendo estas dos las más semejantes a un perfil
actualmente usado en estos motores.
52
6.1.1 Sección cicloidal. Para establecer cuáles son los puntos que conforman la
excéntrica es necesario identificar la ecuación de desplazamiento para un
movimiento ascendente, por ello se concluye que para los primeros 60° de giro de
la leva, esta será de característica cicloidal y las ecuaciones que describen las
variables de desplazamiento, velocidad y aceleración son:9
𝑌 = ℎ (ɸ
𝛽−
1
2𝜋𝑠𝑒𝑛2𝜋
ɸ
𝛽)
𝑉 =ℎ
𝛽(1 − 𝑐𝑜𝑠2𝜋
ɸ
𝛽)
𝐴 =2𝜋ℎ
𝛽2(𝑠𝑒𝑛2𝜋
ɸ
𝛽)
En donde:
Y: Desplazamiento del seguidor en mm.
V: Velocidad del seguidor en mm/seg.
A: Aceleración del seguidor en mm/seg2
h: Longitud total de desplazamiento del seguidor.
𝛽: Ángulo de la leva para el movimiento cicloidal.
ɸ: Posición en grados del eje de leva.
Para este caso, el diseño del perfil de la leva se crea con el fin de que proporcione
un desplazamiento al seguidor de “18 mm”10. A demás se toma como referencia un
círculo primario con diámetro de 34mm con base en el diámetro de un eje de levas
de un motor Diesel.
Una vez identificadas las ecuaciones se procede a realizar el perfil de la leva de
acuerdo con su ecuación de desplazamiento, con el fin de identificar cual será el
perfil de la leva en los primeros 60° (𝛽); para ello se evalúan los valores de ɸ para
identificar las distancias de los puntos de perfil de leva. En el cuadro 9 se pueden
apreciar los valores exactos del perfil de la leva para cada uno de los grados en los
que se dividió el circulo primario, además en la figura 27 se aprecia el perfil de la
leva para los primeros 60°.
Así reemplazando cada uno de los valores en la ecuación, se obtienen puntos desde
la circunferencia primaria tal como es mostrado en la tabla 3.
9 SHIGLEY,Edward. Teoría De Máquinas y Mecanismos. Mc Graw Hill ed. 1988. 10 TAO,Qiu, et al. Optimising the cam profile of an electronic unit pump for a heavy-duty diesel
engine.
53
𝑌 = ℎ (ɸ
𝛽−
1
2𝜋𝑠𝑒𝑛2𝜋
ɸ
𝛽)
Tabla 3. Desplazamiento del seguidor
De acuerdo con los valores obtenidos en el anterior cuadro se dibuja el perfil de la
leva para los primeros 180°, es decir, se obtiene el perfil de característica cicloidal,
como se puede apreciar en la figura 28.
54
Figura 28. Perfil de leva en subida
6.1.2 Sección armónica. De acuerdo con los perfiles de levas, el más adecuado y
aquel que tiene mayor semejanza con un perfil de caída lenta es uno de curva
armónica. Mediante tabulaciones con la ecuación de desplazamiento al igual que
para el perfil de subida, es posible determinar cuál es el perfil de caída de la leva;
ello es posible verlo en la figura 29. A demás se presentan las ecuaciones que rigen
una curva armónica donde; “Y” hace referencia al desplazamiento del seguidor, “V”
a la velocidad del seguidor y “a” a la aceleración del seguidor.11
𝑌 =ℎ
2(1 + 𝑐𝑜𝑠
𝜋ɸ
𝛽)
𝑉 =𝜋ℎ
2𝛽(𝑠𝑒𝑛
𝜋ɸ
𝛽)
𝐴 =𝜋2ℎ
2𝛽2(𝑐𝑜𝑠
𝜋ɸ
𝛽)
11 SHIGLEY,Edward. Teoría De Máquinas y Mecanismos. Mc Graw Hill ed. 1988.
55
Figura 29. Perfil de caída lenta
Finalmente se obtiene un perfil de leva que cumple con los requerimientos básicos
y las variables de entrada, en donde uniendo la curva armónica y la cicloidal
finalmente se tiene el perfil mostrado en la figura 30, además se aprecian las
gráficas de desplazamiento, velocidad y aceleración del seguidor en las gráficas 1,
2 y 3 respectivamente.
Figura 30. Perfil de la leva
56
Gráfica 1. Desplazamiento del seguidor
57
Gráfica 2. Velocidad del seguidor
58
Gráfica 3. Aceleración del seguidor
59
De acuerdo con las anteriores gráficas, los puntos críticos del perfil de leva se
muestran en la tabla 4:
Tabla 4. Magnitudes máximas del perfil de leva
VARIABLE MAGNITUD UNIDADES
Desplazamiento 18 mm
Velocidad 0,6 mm/rad
Aceleración 0,02721 mm/rad2
6.1.3 Análisis estático. Con el anterior cuadro es posible determinar cuál es la
máxima aceleración y velocidad a la que estará sometido el seguidor:
𝑎𝑚á𝑥 = 0,02721 𝑚𝑚
𝑟𝑎𝑑2
Ahora con base en las revoluciones a las que girará el eje se calcula la aceleración
máxima en unidades del sistema internacional (m/s2), en donde el valor de las RPM
es posible identificarlo en el cuadro 9:
𝑅𝑃𝑀𝑒𝑗𝑒 = 1.050 𝑅𝑃𝑀
Dejando la velocidad del eje en unidades de velocidad angular se obtiene que:
𝑅𝑃𝑀𝑒𝑗𝑒 = 1.050 𝑅𝑃𝑀 ∗2𝜋
60𝑠𝑒𝑔= 109,95 𝑟𝑎𝑑
𝑠𝑒𝑔⁄
Una vez se tiene la velocidad a la que girará el eje es posible determinar la
aceleración máxima:
𝑎𝑚á𝑥 = 0,02721 𝑚𝑚
𝑟𝑎𝑑2∗ (109,95
𝑟𝑎𝑑
𝑠𝑒𝑔)
2
∗1𝑚
1.000 𝑚𝑚= 0,328
𝑚
𝑠2
De igual manera se calcula cuál será la velocidad máxima que tendrá el seguidor,
basado en la velocidad del eje:
𝑉𝑚á𝑥 = 0,6 𝑚𝑚
𝑟𝑎𝑑∗ 109,95
𝑟𝑎𝑑
𝑠𝑒𝑔∗
1𝑚
1000 𝑚𝑚= 0,06597
𝑚
𝑠
60
Sin embargo, para ilustrar de una manera clara, en la figura 31, se puede apreciar
el diagrama de cuerpo libre al que estará sometido el mecanismo leva-seguidor. El
análisis de éste está basado en el libro “Cam Design” del autor Clyde Moon.
Figura 31. Diagrama de cuerpo libre leva-seguidor
Fuente: CLYDE,Moon. Cam Design. Wheeling
, USA: Emerson, 1961. 69 p.
Donde:
a: Aceleración del seguidor.
c: Longitud del seguidor.
d: Diámetro del seguidor.
f: Factor de fricción.
g: Gravedad.
m: Relación entre la longitud del seguidor y la longitud de la guía.
r: Radio al punto de referencia.
P: Fuerza paralela al seguidor.
Pn: Fuerza normal al perfil de la leva.
Q1, Q2: Fuerzas normales al seguidor.
L: Fuerza externa.
S: Fuerza del resorte.
W: Peso de elementos acelerados.
μ: Coeficiente de fricción.
γ: Ángulo de presión de la leva.
61
Haciendo el desarrollo para la identificación de las ecuaciones de acuerdo con el
diagrama de cuerpo libre se tiene:
∑ 𝐹𝑥 = 0
𝑄2 − 𝑄1 − 𝑃 tan 𝛾 = 0 (1)
∑ 𝐹𝑦 =𝑊
𝑔𝑎
±𝑊
𝑔𝑎 = 𝑃 − 𝐿 − 𝑊 − 𝑆 ∓ (𝜇𝑄1 + 𝜇𝑄2)
𝑃 = ±𝑊
𝑔𝑎 + 𝑊 + 𝐿 + 𝑆 ∓ (𝜇𝑄1 + 𝜇𝑄2) (2)
∑ 𝑀𝑜 = 0
(𝑃 tan 𝛾) 𝑚𝑐 − 𝑄2𝑐 ∓ 0.5 𝜇𝑄1 𝑑 ∓ 0.5 𝜇𝑄2 𝑑 = 0
∑ 𝑀𝑝 = 0
(𝑃 tan 𝛾) (𝑚𝑐 + 𝑐) − 𝑄1𝑐 ∓ 0.5 𝜇𝑄1 𝑑 ∓ 0.5 𝜇𝑄2 𝑑 = 0
Considerando los momentos por fricción como despreciables:
(𝑃 tan 𝛾) 𝑚𝑐 − 𝑄2𝑐 = 0
𝑄2 =(𝑃 tan 𝛾) 𝑚𝑐
𝑐 (3)
(𝑃 tan 𝛾) (𝑚𝑐 + 𝑐) − 𝑄1𝑐 = 0
𝑄1 =(𝑃 tan 𝛾) 𝑐( 𝑚+1)
𝑐 (4)
Sustituyendo 3 y 4 en la ecuación 2, se tiene:
𝑃 = ±𝑊
𝑔𝑎 + 𝑊 + 𝐿 + 𝑆 ± (𝜇 (𝑃 tan 𝛾) (𝑚 + 1) + 𝜇 (𝑃 tan 𝛾) 𝑚)
62
𝑃 = ±𝑊
𝑔𝑎 + 𝑊 + 𝐿 + 𝑆 ± 𝜇 tan 𝛾 𝑃 ( 𝑚 + 1 + 𝑚)
𝑃 = ±𝑊
𝑔𝑎 + 𝑊 + 𝐿 + 𝑆 ± 𝜇 tan 𝛾 𝑃 (2𝑚 + 1)
± 𝜇 tan 𝛾 𝑃 (2𝑚 + 1) + 𝑃 = ±𝑊
𝑔𝑎 + 𝑊 + 𝐿 + 𝑆
𝑃(± 𝜇 tan 𝛾 (2𝑚 + 1) + 1) = ±𝑊
𝑔𝑎 + 𝑊 + 𝐿 + 𝑆
𝑃 = ±
𝑊𝑔 𝑎 + 𝑊 + 𝐿 + 𝑆
± 𝜇 tan 𝛾 (2𝑚 + 1) + 1 (5)
Conociendo las ecuaciones que rigen las cargas en el sistema se procede a
determinar cada una de ellas, partiendo en primera medida por el peso total de la
unidad inyectora y el impulsador:
𝑚𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑚𝑈𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑖𝑛𝑦𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑎 + 𝑚𝐼𝑚𝑝𝑢𝑙𝑠𝑎𝑑𝑜𝑟
𝑚𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 7.8 𝐾𝑔 + 1 𝐾𝑔 = 8.8 𝐾𝑔
Con lo anterior es posible determinar el peso de los elementos acelerados (W):
𝑊 = 𝑚𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 ∗ 𝑔
𝑊 = 8,8 𝐾𝑔 ∗ 9,81 𝑚
𝑠2= 86,328 𝑁
Una vez conocido el valor del peso y de la aceleración máxima del seguidor es
posible determinar cuál es la fuerza de inercia de los elementos bajo aceleración
(W/g) (a):
𝑊
𝑔𝑎𝑚á𝑥 = (
86,328 𝑁
9,81 𝑚𝑠2
) ∗ (0,328𝑚
𝑠2) = 2,89 𝑁
63
A continuación, se determina la carga por efectos del resorte de mayor dimensión
que es el que se estudiará en este caso, siendo este el más crítico de todos; según
el autor Robert Norton en el libro “Diseño de máquinas” en el capítulo 10 “Diseño de
resortes” es posible conocer la constante de un resorte conociendo el material y la
geometría del mismo:
𝐾 =𝐺𝑑4
8(𝐷)3(𝑁𝑎)
Donde:
G: Módulo de cizallamiento del material.
d: Diámetro del alambre (in)
D: Diámetro medio (in)
Na: Número de espiras activas
K: Constante del resorte (lb/in)
Según tablas de propiedades mecánicas para el acero ASTM A230, Anexo A, es
posible conocer el módulo de cizallamiento del material (11.600 kSi = 80 GPa), las
demás constantes son halladas por medio de mediciones con la unidad inyectora
en físico.
𝐾 =11.600𝑘𝑆𝑖(0,23)4
8(1,62𝑖𝑛)3(7)= 23,87 𝑁 𝑚𝑚⁄ (136,34
𝑙𝑏
𝑖𝑛)
Para este caso se necesita que el resorte se comprima tan sólo 18 mm (0,70 in), es
por ello que se halla cuál será la carga por efectos de compresión del resorte:
𝑆 = (0,70 𝑖𝑛) ∗ 136,34𝑙𝑏
𝑖𝑛= 424,55 𝑁 (95,44 𝑙𝑏)
Para hallar el valor de la fuerza máxima, es decir, la carga externa (L) que actuará
sobre el sistema es necesario identificar cual es el valor máximo de presión que
alcanzan las unidades inyectoras y el diámetro del elemento, como se observó en
el cuadro 9.
𝑃 = 33 𝑀𝑃𝑎 (4.786,25 𝑝𝑠𝑖)
64
Una vez conocido el valor de la presión, es sencillo determinar cuál debe ser el valor
de la fuerza para que con un área de sección transversal determinada la presión
llegue a este valor, una vez más basados en el cuadro 9 es posible determinar el
área para un diámetro de elemento de 12 mm.
𝐴 =𝜋
2∗ 𝑑2
𝐴 =𝜋
2∗ (12𝑚𝑚)2
𝐴 = 226,19 𝑚𝑚2 (0,3505𝑖𝑛2)
𝑃 =𝐹
𝐴
Así despejando de la ecuación la fuerza:
𝐿 = 𝐹 = 𝑃 ∗ 𝐴 = 4.786,25𝑙𝑏
𝑖𝑛2∗ 0,3505𝑖𝑛2 = 7.464,42 𝑁 (1.678,07 𝑙𝑏𝑠)
:
Una vez identificadas las principales cargas que actúan sobre el sistema es posible
identificar la carga (P) deducida en la ecuación 5 que actuara en el sistema:
𝑃 = ±
𝑊𝑔 𝑎 + 𝑊 + 𝐿 + 𝑆
± 𝜇 tan 𝛾 (2𝑚 + 1) + 1
Para este caso en específico se despreciará el valor de la fricción debido que es
significativamente baja (0,1), entonces se tiene:
𝑃 = 2,89 𝑁 + 86,328 𝑁 + 7.464,42 𝑁 + 424,55 𝑁
𝑃 = 7.978,2 𝑁 (1.793,57 𝑙𝑏)
65
Una vez identificada la carga (P) es posible calcular la fuerza normal al perfil de la
leva (Pn), partiendo del triángulo rectángulo que se forma por efecto de la carga (P)
y el ángulo de presión de la leva (𝛾) que se vio en la figura 30:
𝑃𝑛 = 𝑃
cos 𝛾
𝑃𝑛 = 7.978,2 𝑁
cos 25,52°
𝑃𝑛 = 8.840,74 𝑁 (1.987,5 𝑙𝑏)
A continuación, se procede a calcular las fuerzas normales al seguidor de la leva
(Q1, Q2) anteriormente deducidas en las ecuaciones 4 y 3 respectivamente:
𝑄1 = (𝑃 tan 𝛾) ( 𝑚 + 1) Donde:
𝑚𝑐 + 𝑐 = 74,75 𝑚𝑚
𝑚 = 50 𝑚𝑚
167,75 𝑚𝑚= 0,29
𝑐 =74,75 𝑚𝑚
(𝑚 + 1)
𝑐 = 74,75 𝑚𝑚
1,29
𝑐 = 57,94 𝑚𝑚
Una vez conocidos estos valores es posible calcular las fuerzas normales actuantes
en el seguidor:
𝑄1 = ( 7.978,2 𝑁 (tan 25,52°)(0,29 + 1))
𝑄1 = 4.913,4 𝑁 (1.105,5 𝑙𝑏)
𝑄2 = (𝑃 tan 𝛾) 𝑚
66
𝑄2 = (7.978,2 𝑁 (tan 25,52°)(0,29))
𝑄2 = 1.104,6 𝑁 (248,5 𝑙𝑏)
Las cargas a las que estará sometido el sistema se presentan en la tabla 5.
Tabla 5. Cargas del sistema
VARIABLE MAGNITUD
P 7.978,2 N (1.793,57 lb)
Pn 8.840,74 N (1.987,5 lb)
S 424,55 N (95,44 lb)
W 86,328 N (19,42 lb)
W/g a 2,89 N (0,651 lb)
Q1 4.913,4 N (1.105,5 lb)
Q2 1.104,6 N (248,5 lb)
6.1.4 Esfuerzos por contacto. “Ocurren en elementos de máquinas cuando se
transmiten cargas a través de superficies que presentan contactos puntuales”12
Para el caso de la leva seguidor se presenta un esfuerzo por dos superficies
cilíndricas, cuya representación gráfica se puede apreciar en la figura 32.
Figura 32. Elementos cilíndricos en contacto
Fuente: Libardo Vanegas Useche, Ing. Mecánico, M.Sc., Ph.D.
Disponible en: http://www.utp.edu.co/~lvanegas/
Además, se tiene las ecuaciones para calcular el ancho de la huella (w), la
presión máxima (Pmáx)
12 [Anónimo]Libardo Vanegas Useche, Ing. Mecánico., M.Sc., Ph.D. [Print(0)]. [Consultado el
9/12/20162016]. Disponible en: http://www.utp.edu.co/~lvanegas/
67
𝑤 = 4√𝐹
𝜋𝑏
(1 − 𝑉12) 𝐸1 + (1 − 𝑉1
2) 𝐸2⁄⁄
(1 𝑟1 ±⁄ 1 𝑟2⁄ ) (6)
𝑃𝑚á𝑥 =4𝐹
𝑤𝑏𝜋= √
𝐹
𝑏
(1 𝑟1 ±⁄ 1 𝑟2⁄ )
(1 𝐸1) + (1 𝐸2)⁄⁄ (7)
Donde:
F: Fuerza a la que está sometida el sistema
V1: Coeficiente de Poisson del seguidor
V2: Coeficiente de Poisson del material de la leva
E1: Módulo de elasticidad del material del rodillo
E2: Módulo de elasticidad del material de la leva
b: Espesor de la leva
Las anteriores ecuaciones ilustran lo que sucede en un momento exacto a los dos
cuerpos cilíndricos, como se puede apreciar en la figura 33.
Figura 33. Ancho de huella y distribución de esfuerzos
Fuente: Libardo Vanegas Useche, Ing. Mecánico., M.Sc., Ph.D.
Disponible en: http://www.utp.edu.co/~lvanegas/
Tabla 6. Variables de entrada esfuerzo de contacto
VARIABLE MAGNITUD DESIGNACIÓN
68
Radio del seguidor 14,5 mm (0,57 in) r1
Radio de curvatura de la leva
42,926 mm (1,69 in) r2
Ancho de leva 19,05 mm (3/4 in) b
Coeficiente de Poisson (Ver anexo C)
0,3 v1-v2
Módulo de elasticidad seguidor (Ver anexo C)
196 GPa (28.400 ksi) E1
Módulo de elasticidad leva (Ver anexo C)
196 GPa (28.400 ksi) E2
Una vez seleccionadas las variables de entrada para el cálculo de cada una de las
magnitudes, se procede a identificar en primera instancia la huella (w):
𝑤 = 4√1.987,5 𝑙𝑏
𝜋(1 𝑖𝑛)
(1 − 0.32) (30.600 𝑘𝑠𝑖) + (1 − 0.32) 30.600 𝑘𝑠𝑖⁄⁄
(1 (0,57 𝑖𝑛) +⁄ 1 (1,69 𝑖𝑛)⁄ )
𝑤 = 0,42 𝑚𝑚 (0,01663 𝑖𝑛)
A continuación, se procede a calcular el valor de la presión máxima o esfuerzo de
compresión (Pmáx) a la que estarán sometidos la leva y el seguidor:
𝑃𝑚á𝑥 = 0,59√𝐹
𝑏
(1 𝑟1 ±⁄ 1 𝑟2⁄ )
(1 𝐸1) + (1 𝐸2)⁄⁄
𝑃𝑚á𝑥 = 0,59√1793,6 𝑙𝑏
1 𝑖𝑛
(1 0,57 𝑖𝑛 +⁄ 1 1,69 𝑖𝑛⁄ )
(1 28.400 𝑘𝑠𝑖) + (1 28.400 𝑘𝑠𝑖)⁄⁄
𝑃𝑚á𝑥 = 1.046,15 𝑀𝑃𝑎 (151.731,68 𝑝𝑠𝑖)
69
De acuerdo con el libro “Cam Design Handbook” del autor Howard Rothbart, en el
capítulo 9 “Cam Materials and Lubrication” un buen dato de diseño es que el
esfuerzo de compresión (𝜎𝑚á𝑥) no debe superar el límite de fluencia del material
(𝜎𝑦):13
𝜎𝑚á𝑥 < 𝜎𝑦
1.046,15 𝑀𝑃𝑎 (151.731,68 𝑝𝑠𝑖) < 1.855 MPa (225.000 psi)
Asegurando de esta manera un factor de seguridad (F.S) de:
𝐹. 𝑆 =𝜎𝑦
𝜎𝑚á𝑥
𝐹. 𝑆 = 1.855 𝑀𝑃𝑎
1.046,15 𝑀𝑃𝑎
𝐹. 𝑆 = 1,8
Posteriormente es posible calcular a la profundidad a la que ocurre la máxima
presión:
𝑍𝑡 = 0,4 𝑤
𝑍𝑡 = 0,4 (0,01663 𝑖𝑛)
𝑍𝑡 = 0,17 𝑚𝑚 (0,006652 𝑖𝑛)
Identificada la presión máxima es posible calcular el esfuerzo cortante máximo
(Ssmáx):
𝑆𝑆𝑚á𝑥 = 0,304 𝑃𝑚á𝑥
𝑆𝑆𝑚á𝑥 = 0,304 (151.731,7 𝑝𝑠𝑖)
𝑆𝑆𝑚á𝑥 = 318 𝑀𝑃𝑎 (46.126,4 𝑝𝑠𝑖)
13 ROTHBART,Howard. Cam Materials and Lubrication. En: Cam Design Handbook. McGraw-Hill,
2004.
70
“Para concluir es necesario calcular el factor de seguridad debido a la fatiga
superficial de la leva; basados en el libro “Cam Design and Manufacturing
Handbook” de Robert Norton, nos dice que:”14
En primera medida se establece cuál es el tiempo estimado de funcionamiento del
dispositivo antes de que presente fallas en la superficie de la leva, lo que lleva a
deducir que:
𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠 = 1050 𝑟𝑒𝑣
𝑚𝑖𝑛∗ 60
𝑚𝑖𝑛
ℎ𝑟∗ 8
ℎ𝑟
𝑑í𝑎∗ 315
𝑑í𝑎
𝑎ñ𝑜∗ 10 𝑎ñ𝑜𝑠
𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠 = 1,5876 ∗ 109
Una vez establecido el número de ciclos esperado de trabajo, se procede a
identificar las constantes de los materiales a través de las ecuaciones enunciadas:
𝑚1 =1 − 𝑣1
2
𝐸1
𝑚2 =1 − 𝑣2
2
𝐸2
Donde:
m1: Constante para el material del seguidor.
m2: Constante para el material de la leva.
E1, E2: Módulo de Elasticidad del seguidor y leva respectivamente.
v1, v2: Módulo de Poisson del seguidor y leva respectivamente.
Debido a que el material de la leva y el seguidor es el mismo las constantes m1=m2,
E1= E2 y v1 = v2, además, la ecuación para determinar el factor (m) del material es:
𝑚1 = 𝑚2 =1 − 𝑣1
2
𝐸1
14 NORTON,Robert. Failure of Cam Systems-Stress, Wear, Corrosion. En: Cam Design and
Manufacturing Handbook. 2002.
71
De acuerdo con el Anexo C, es posible reemplazar los valores de la ecuación para
así encontrar el valor de (m):
𝑚1 = 𝑚2 =1 − (0,3)2
28.400.000 𝑝𝑠𝑖
𝑚1 = 𝑚2 = 3.20 ∗ 10−8
Ahora es necesario determinar el factor de carga experimental (k), mediante la
siguiente ecuación:
𝑘 = 𝜋(𝑚1 + 𝑚2)𝜎𝑚á𝑥2
Donde:
Pmáx: Esfuerzo de compresión máximo.
𝑘 = 2𝜋(3.20 ∗ 10−8)(151.731,7 𝑝𝑠𝑖)2
𝑘 = 32 𝑀𝑃𝑎 (4.629 𝑝𝑠𝑖)
Una vez obtenido el valor del factor de carga experimental (k), es necesario
identificar los valores λ y Ϛ basados en el material anteriormente seleccionado (AISI
4340) y en que el contacto entre la leva y el seguidor es de rodadura y 9% de
deslizamiento, además cabe resaltar que para la leva y el seguidor se usa el mismo
material, es por ello que la tabla 7 nos indica qué valores tomar.
Tabla 7. Fuerza de fatiga superficial para leva y seguidor del mismo material
Fuente: NORTON, Robert. Failure of Cam Systems-Stress, Wear, Corrosion.
Cam Design and Manufacturing Handbook. 2002
72
Según la tabla 14 los valores para las constantes λ y Ϛ son:
λ = 26,19 Ϛ = 105,31
Una vez determinados los valores de las constantes a través de la ecuación que es
enunciada en el libro “Cam design and manufacturing handbook” de Robert Norton,
es posible conocer cuál será el valor del número de ciclos estimados de la superficie
de la leva y el seguidor antes de que presente fatiga superficial:15
log10 𝑘 =Ϛ − log10 𝑁𝑙𝑖𝑓𝑒
λ
Despejando Nlife:
log10 𝑁𝑙𝑖𝑓𝑒 = Ϛ − λ log10 𝑘
𝑁𝑙𝑖𝑓𝑒 = 10[Ϛ−λ log10 𝑘]
De esta manera se reemplazan los valores respectivos en la ecuación para obtener
el valor de la vida estimada antes de presentarse fatiga superficial:
𝑁𝑙𝑖𝑓𝑒 = 10[105,31−26,19 log10 4215,20 𝑝𝑠𝑖]
𝑁𝑙𝑖𝑓𝑒 = 2,37 ∗ 1010 𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠
Al encontrar el valor de ciclos estimados, es necesario calcular un factor de
seguridad:
𝑁𝑓 =𝑁𝑙𝑖𝑓𝑒
𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠
𝑁𝑓 =2,37 ∗ 1010
2,045 ∗ 109
De esta manera se establece que el factor de seguridad contra la fatiga superficial
es
𝑁𝑓 = 15
15 NORTON, Robert. Failure of Cam Systems-Stress, Wear, Corrosion. Cam Design and
Manufacturing Handbook. 2002
73
Los esfuerzos a los que estarán sometidos tanto la superficie de la leva como la del
seguidor se pueden apreciar en la tabla 8.
Tabla 8. Variables de esfuerzo por contacto
VARIABLE MAGNITUD DESIGNACIÓN
Ancho de huella 0,42 mm (0,01663 in) w
Presión máxima 1046 MPa (151.731,7 psi) Pmáx
Esfuerzo cortante máximo
318,02 MPa (46.126 psi) Ssmáx
Profundidad de la huella
0,16 mm (0,00665 in) Zt
Es de vital importancia tratar térmicamente el material debido a que todo el cuerpo
de la leva no podrá tener la misma dureza, “la superficie de rodadura debe ser
cementada, y debe tener al menos 2,5 milímetros con un valor de dureza de 47 HRC
(470 HV)” 16. En la figura 34 es posible apreciar
Figura 34. Valores de dureza en el cuerpo de la leva
El tratamiento termoquímico de cementación brinda al material mayor tenacidad en
la superficie a una profundidad determinada, resistencia contra la fatiga superficial
y picadura del material por contacto entre dos superficies.
16 SANCHEZ, Fernando. Análisis, Diseño y Fabricación De Una Leva Industrial Mediante Técnicas
Avanzadas De Manufactura. Universidad de Piura, 2009.
74
6.2 EJE CENTRAL
Este elemento es el encargado de transmitir el movimiento procedente del motor
eléctrico del banco de pruebas a través de la leva, a la unidad inyectora en prueba;
es por ello que estará sometido a cargas como la constante del resorte de las
unidades inyectoras, la cual presenta una precarga en el resorte de 17,04 lbf, el
peso de las mismas y del impulsador, además de la fuerza necesaria para elevar la
presión según se vio en el cuadro 9. Los cálculos aquí realizados están basados en
el libro “Diseño de elementos de máquinas” de Robert Mott y para este caso el
capítulo 12 “Diseño de ejes”.17
𝐷 = [32𝑁
𝜋+ √[
𝐾𝑡𝑀
𝑆𝑛′]
2
+3
4[
𝑇
𝑆𝑦]
2
]
13⁄
Para secciones del eje en donde no hay momentos torsionales ni flexionantes, se
usa la siguiente ecuación:
𝐷 = √2,94 𝐾𝑡 𝑉 𝑁
𝑆𝑛′
Donde:
N: Factor de seguridad.
Kt: Concentrador de esfuerzos.
M: Momento flector.
Sn’: Resistencia a la fatiga corregida.
T: Torque al que está sometido el eje.
Sy: Esfuerzo de fluencia del material.
Una vez identificadas las ecuaciones que se usarán para el diseño del eje central,
es necesario identificar el diagrama de cuerpo libre que rige el sistema, junto con
las cargas y reacciones actuantes en el mismo. En la figura 35, se puede apreciar
el diagrama de cuerpo libre del eje.
17 MOTT, Robert. Diseño De Elementos De Máquinas. Cuarta edición ed. México: Pearson
Educación, 2006.
75
Figura 35. Diagrama de cuerpo libre eje central
Una vez elaborado el diagrama de cuerpo libre se procede a realizar el análisis
estático en el plano Y-Z como lo muestra la figura 36.
Figura 36. Plano Y-Z diagrama de cuerpo libre
76
Se procede entonces a calcular las reacciones:
∑ 𝐹𝑦 = 0
𝑅𝐴𝑦 − 1.793,6 𝑙𝑏 + 𝑅𝐶𝑦 = 0
𝑅𝐴𝑦 = 1.793,6 𝑙𝑏 − 𝑅𝐶𝑦
∑ 𝑀𝐴 = 0
−1.793,6 𝑙𝑏 ∗ 1,5 𝑖𝑛 + 3 𝑖𝑛 ∗ 𝑅𝐶𝑦 = 0
𝑅𝐶𝑦 =1.793,6 𝑙𝑏 ∗ 1,5 𝑖𝑛
3 𝑖𝑛
𝑅𝐶𝑦 = 3.989,16 𝑁 (896,8 𝑙𝑏𝑓)
Reemplazando el valor de RCy es posible determinar RAy:
𝑅𝐴𝑦 = 1.793,6 𝑙𝑏 − 𝑅𝐶𝑦
𝑅𝐴𝑦 = 1.793,6 𝑙𝑏 − 896,8 𝑙𝑏
𝑅𝐴𝑦 = 3.989,16 𝑁 (896,8 𝑙𝑏𝑓)
Una vez conocido el valor de las reacciones en los puntos de apoyo, se procede a
calcular las ecuaciones de fuerza cortante (V) y momento flector (M), seccionando
cada uno de los puntos del diagrama de cuerpo libre:
Sección A-B
77
∑ 𝐹𝑦 = 0
−𝑉 + 896,8 𝑙𝑏 = 0
𝑉 = 896,8 𝑙𝑏
∑ 𝑀𝐴 = 0
𝑀 − 896,8 𝑙𝑏 (6,5 𝑖𝑛 − 𝑥) = 0
𝑀 = 896,8 𝑙𝑏 (6,5 𝑖𝑛 − 𝑥)
Sección B-C
∑ 𝐹𝑦 = 0
𝑉 + 896,8 𝑙𝑏 = 0
𝑉 = −896,8 𝑙𝑏
∑ 𝑀𝐴 = 0
−𝑀 + 896,8 𝑙𝑏 (1,5 𝑖𝑛 − 𝑥) = 0
𝑀 = 896,8 𝑙𝑏 (1,5 𝑖𝑛 − 𝑥)
78
Una vez conocidas las ecuaciones de fuerza cortante (V) y momento flector (M) se
procede a realizar el gráfico respectivo basado en el diagrama de cuerpo libre, como
se puede apreciar en la figura 37.
Figura 37. Diagrama fuerza cortante-momento flector
Ahora que se conoce el valor de las cargas a las que estará sometido el eje central
es necesario realizar el cálculo de la resistencia a la fatiga corregida (Sn’), explicado
en el libro diseño de elementos de máquinas 4 edición, capítulo 5 del autor Robert
Mott, donde plantea que:18
𝑆𝑛′ = 𝑆𝑛(𝐶𝑚)(𝐶𝑠𝑡)(𝐶𝑅)(𝐶𝑠)
Donde:
Sn’: Resistencia a la fatiga corregida.
Sn: Resistencia a la fatiga estimada.
Cm: Factor de material.
Cst: Factor de tipo de esfuerzo.
CR: Factor de confiabilidad.
CS: Factor de tamaño
18 MOTT, Robert. Diseño De Elementos De Máquinas. Cuarta edición ed. México: Pearson
Educación, 2006.
79
Para efectos de facilidad a la hora de la manufactura del eje y leva, estos se
fabricarán en AISI 4340, cuyas propiedades mecánicas se pueden apreciar en la
tabla 9.
Tabla 9. Propiedades mecánicas AISI 4340
PROPIEDADES MECÁNICAS Mpa psi
Esfuerzo Último 1.855 269.000
Esfuerzo de Fluencia 1.550 225.000
Módulo de Elasticidad 196.000 28.400.000
Módulo de Poisson 0,3 0,3 Fuente: AISI 4340 Steel, Oil Quenched 855°C (1570°F), 230°C
Temper for 4 Hrs. Disponible en: http://www.matweb.com
Establecidos el esfuerzo último (Su= 1.855 MPa (269 ksi)) y el proceso de
manufactura (maquinado) se puede conocer cuál es la resistencia a la fatiga
estimada:
Gráfica 4. Resistencia a la fatiga en función de la resistencia a la tensión
Fuente: Libardo V. Vanegas Useche. Disponible en: http://blog.utp.edu.co/lvanegas/
𝑆𝑛 = 690 𝑀𝑃𝑎 (100,076 𝑘𝑠𝑖)
Una vez determinada la resistencia a la fatiga estimada se procede con el factor del
material (Cm), el cual el autor Robert Mott, nos dice que para un acero forjado es:
𝐶𝑚 = 1 "𝐴𝑐𝑒𝑟𝑜 𝐹𝑜𝑟𝑗𝑎𝑑𝑜"
80
A continuación, se halla el factor de tipo de esfuerzo (Cst), el cual es un esfuerzo de
tipo flexionante, por ello:
𝐶𝑠𝑡 = 1 "𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑝𝑜 𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖𝑜𝑛𝑎𝑛𝑡𝑒"
Posteriormente se halla el valor para el factor de confiabilidad (CR), por medio de la
tabla 10.
Tabla 10. Factores de confiabilidad
Fuente: MOTT, Robert. Diseño De
Elementos De Máquinas.Cuarta ed.
México: Pearson Educación, 2006
Para este caso se tomará como:
𝐶𝑅 = 0,90
Finalmente se halla el factor de tamaño (Cs), con ayuda de la gráfica 5:
Gráfica 5. Factor de tamaño
Fuente: MOTT, Robert. Diseño De Elementos De
Máquinas. Cuarta ed. México: Pearson Educación
81
Se estima un valor aproximado de la dimensión del pasador, tomando el mismo como 50,8
mm (2,0 in) y cruzando con la función de la gráfica el factor por tamaño (Cs):
𝐶𝑠 = 0,84
Una vez obtenidas todas las constantes de la ecuación se procede a hallar el valor
de la resistencia a la fatiga corregida (Sn’):
𝑆𝑛′ = 100,076 𝑘𝑆𝑖(1)(1)(0.90)(0.84) = 521 𝑘𝑃𝑎 (75,65 𝑘𝑠𝑖)
Ahora se realiza un diseño esquemático del eje final, presentado en la figura 38.
Figura 38. Diseño esquemático eje central
Punto A
En este punto de acuerdo a las gráficas de fuerza cortante y momento flector, el
valor máximo de V es 3.989,16 N (896,8 lb) y M es 0, entonces es necesario aplicar
la ecuación específica para la determinación del diámetro del eje en presencia de
fuerzas cortantes:
𝐷 = √2,94 𝐾𝑡 𝑉 𝑁
𝑆𝑛′
82
En el libro “Diseño de elementos de máquinas” de Robert Mott se encuentra que
para el caso de los concentradores de esfuerzos (Kt) es necesario basarse en la
figura 39.
Figura 39. Concentradores de esfuerzo
Fuente: MOTT, Robert. Diseño De Elementos
De Máquinas. Cuarta ed. México: Pearson
Educación, 2006
Se asume Kt como un chaflán agudo, entonces:
𝐾𝑡 = 2,5 "𝐶ℎ𝑎𝑓𝑙á𝑛 𝑎𝑔𝑢𝑑𝑜"
𝑉 = 3.989,16 𝑁 (896,8 𝑙𝑏)
𝑁 = 1,7
𝑆𝑛′ = 521,6 𝑀𝑃𝑎 (75,65 𝑘𝑠𝑖)
83
Una vez determinadas todas las constantes es posible calcular el valor del diámetro
para el punto A:
𝐷𝐴 = √2,94 ∗ (2,5) ∗ (896,8 𝑙𝑏) ∗ 1,7
(75.650 𝑝𝑠𝑖)
Como el punto A y el punto A’ están en igualdad de condiciones es posible asumir
que el valor DA se podrá tomar igual para el valor en DA’, entonces:
𝐷𝐴 = 𝐷𝐴′ = 9,652 𝑚𝑚 (0,38 𝑖𝑛)
Punto B
En este punto del eje según la figura 36, vista anteriormente, el eje está sometido
tanto a fuerza cortante (V) como a momento flector (M), es por ello que se utiliza la
ecuación:
𝐷 = [32𝑁
𝜋+ √[
𝐾𝑡𝑀
𝑆𝑛′]
2
+3
4[
𝑇
𝑆𝑦]
2
]
13⁄
De este modo es necesario calcular el valor del torque al que estará sometido el eje:
𝑇 =63.000 ∗ 𝑃
𝑅𝑃𝑀𝑒𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑒𝑣𝑎
Para determinar las RPM a las que el eje central deberá girar, se usa el cuadro 9
página 49, además el valor de la potencia del motor eléctrico fue enunciado en el
capítulo 4, de este modo es posible conocer el torque presente en el eje central:
𝑇 =63.000 ∗ (20 𝐻𝑃)
1050 𝑅𝑃𝑀
𝑇 = 135,58 𝑁. 𝑚 (1.200 𝑙𝑏. 𝑖𝑛)
84
De este modo para calcular el valor del diámetro en el punto B, se tienen los valores:
𝐾𝑡 = 1,5 "𝐶ℎ𝑎𝑓𝑙á𝑛 𝑏𝑖𝑒𝑛 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒𝑎𝑑𝑜"
𝑇 = 1.200 𝑙𝑏. 𝑖𝑛
𝑆𝑛′ = 75.650 𝑝𝑠𝑖
𝑆𝑦 = 225.000 𝑝𝑠𝑖
𝑀 = 1.345,2 𝑙𝑏. 𝑖𝑛
𝑁 = 1,7
𝐷𝐵 = [32(1,7)
𝜋+ √[
(1,5)(1.345,2 𝑙𝑏. 𝑖𝑛)
(75.650 𝑝𝑠𝑖)]
2
+3
4[
1.200 𝑙𝑏. 𝑖𝑛
225.600 𝑝𝑠𝑖]
2
]
13⁄
Como el punto B y el punto B’ están en igualdad de condiciones es posible asumir
que el valor DB se podrá tomar igual para el valor en DB’, entonces:
𝐷𝐵 = 𝐷𝐵′ = 65,532 𝑚𝑚 (2,58 𝑖𝑛)
6.2.1 Selección de rodamientos. “De acuerdo con el libro “Diseño de elementos de
máquinas” de Robert Mott, para la selección de rodamientos es necesario conocer
dos variables claves, la carga estática (Co) y la carga básica dinámica (C)”19; la
primera es conocida de acuerdo a los cálculos anteriores donde se concluyó que la
carga estática o reacción en los apoyos es de 3.989,16 N (896,6 lb), sin embargo,
la carga dinámica (C) se procede a calcular.
Como primera medida se establecen cuáles son las variables de entrada, en donde
se tiene:
𝑅𝑃𝑀𝐸𝐸 = 1050 𝑅𝑃𝑀
𝑃𝑑 = 𝐶 = 𝑅𝐴𝑦 = 𝑅𝐶𝑦 = 3.989,16 𝑁 (896,6 𝑙𝑏)
De acuerdo con el cuadro 16, se selecciona una duración estimada de diseño (L10)
en horas, para una aplicación en automotores.
𝐿10 = 1.500 − 5.000 ℎ
19 MOTT, Robert. Diseño De Elementos De Máquinas. Cuarta edición ed. México: Pearson
Educación, 2006.
85
Se selecciona un valor intermedio entre los dos:
𝐿10 = 3.250 ℎ
Ahora es necesario calcular el número de revoluciones de diseño del eje:
𝐿𝑑 = (ℎ)(𝑟𝑝𝑚)(60 𝑚𝑖𝑛 ℎ⁄ )
𝐿𝑑 = (3.250 ℎ)(1.050 𝑟𝑝𝑚)(60 𝑚𝑖𝑛 ℎ⁄ )
𝐿𝑑 = 204.750.000 𝑟𝑒𝑣
Conociendo una vez las revoluciones de diseño es posible calcular la carga básica
dinámica (C):
𝐶 = 𝑃𝑑 (𝐿𝑑
106⁄ )1
𝑘⁄
Donde:
k= 3 para rodamientos de bolas.
k= 3,33 para rodamientos de rodillos.
En este caso específico se seleccionará rodamientos de bolas debido a la
naturaleza de las cargas, es por ello que la anterior ecuación se queda:
𝐶 = 898,6 𝑙𝑏 (204,750 𝐸 6106⁄ )
13⁄
𝐶 = 10.935,2 𝑁(2.458,33 𝑙𝑏)
Tabla 11. Duración rodamientos
Fuente: MOTT, Robert. Diseño De Elementos De Máquinas. Cuarta ed. México: Pearson
Educación, 2006
86
Una vez hallados los diámetros mínimos finales del eje central es posible determinar
los rodamientos que absorberán las reacciones de los apoyos, teniendo en cuenta
el valor de la carga estática (reacciones en los apoyos) y el valor de la carga
dinámica; se toma como decisión la selección del rodamiento 6009 de la empresa
SKF, que se puede apreciar en el Anexo D.
Los diámetros mínimos y finales correspondientes al eje central bajo las cargas
anteriormente presentadas se pueden apreciar en la tabla 12.
Tabla 12. Diámetros mínimos del eje central
DIAMETRO MÍNIMO
DIAMETRO FINAL
PUNTO mm in mm in
A 9,65 0,38 45 1,77
A' 9,65 0,38 45 1,77
B 65,53 2,58 63 2,48
B' 65,53 2,58 63 2,48
6.2.2 Diseño de la cuña. El elemento transmisor de potencia entre el motor eléctrico
y el eje es una cuña, la cual está alojada en el eje central, para ello es necesario
calcular la geometría de la cuña y especificar el material. Para ello se busca la
información en el libro de Robert Mott “Diseño de elementos de máquinas” capitulo
11 “Cuñas, acoplamientos y sellos”.
Los datos de entrada para la selección de la cuña son; el torque y el diámetro del
eje, mostrados a continuación:
𝑇 = 136 𝑁𝑚 (1200 𝑙𝑏 𝑖𝑛 )
∅ = 32 𝑚𝑚 (1,26 𝑖𝑛)
El diámetro del eje es el dato de entrada para la selección de dos de las dimensiones
de la cuña (altura y ancho), la tabla 13 muestra los datos seleccionados.
87
Tabla 13. Tamaño de la cuña
Fuente: MOTT, Robert. Diseño De Elementos De Máquinas. Cuarta ed. México: Pearson
Educación, 2006
De la tabla 13 se extrae los valores W y H de la cuña:
𝑊 = 7,9375 𝑚𝑚 (5
16𝑖𝑛)
𝐻 = 6,35 𝑚𝑚 (1
4𝑖𝑛)
Ahora son conocidas dos de las dimensiones de la cuña, sin embargo, es necesario
calcular el valor de la longitud total de la cuña.
88
De acuerdo a la ecuación enunciada por el autor Robert Mott es posible calcular
dicha longitud, para ello se recomienda un factor de seguridad (N=3) y material de
fabricación AISI 1020 (Sy= 351 MPa (51.000 psi)):20
𝐿 =4𝑇𝑁
𝐷𝑊𝑆𝑦
𝐿 =4(1200 𝑙𝑏𝑖𝑛)(3)
(1,26 𝑖𝑛)(0,25𝑖𝑛)(51.000 𝑝𝑠𝑖)
𝐿 = 1 𝑖𝑛 (25,4 𝑚𝑚)
Donde:
T: Torque en el eje
D: Diámetro del eje
Sy: Límite de fluencia del material
N: Factor de seguridad
En conclusión, la cuña del sistema tiene las siguientes características:
𝐿 = 25,4 𝑚𝑚 (1 𝑖𝑛)
𝑊 = 7,9375 𝑚𝑚 (5
16𝑖𝑛)
𝐻 = 6,35 𝑚𝑚 (1
4𝑖𝑛)
𝐹𝑎𝑏𝑟𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝐴𝑐𝑒𝑟𝑜 𝐴𝐼𝑆𝐼 1020
Donde:
L: Largo de la cuña
W: Ancho de la cuña
H: Altura de la cuña
20 MOTT, Robert. Diseño De Elementos De Máquinas. Cuarta ed. México: Pearson Educación, 2006
89
6.3 PASADOR IMPULSADOR
El impulsador es el elemento mecánico que servirá de alojamiento y a su vez estará
en contacto tangencial al seguidor de la leva, como se muestra en la figura 40. El
diseño del pasador del impulsador es necesario realizarlo mediante resistencia a la
fatiga como es explicado en el libro “Diseño de elementos de máquinas” capítulo 5
“Diseño para diferentes tipos de carga” del libro de Robert Mott, el cual da como
pautas lo siguiente:
Tipo de carga: Fluctuante.
Tipo de esfuerzos a los que está sometido el elemento: Esfuerzos cortantes
fluctuantes dobles.
Material: AISI 1045
Proceso de manufactura: Laminado en caliente
Forjado
Sy= 310 MPa (45 ksi)
Su= 565 MPa (81,9 ksi)
Donde:
Sy: Límite de fluencia del material
Su: Esfuerzo último del material
Figura 40. Pasador del Impulsador
Basados en el cuadro 12 es posible identificar cuál es la carga máxima y mínima a
la que estará sometido el pasador.
𝐹𝑚á𝑥 = 8.833,31 𝑁 (1.987,5 𝑙𝑏)
𝐹𝑚í𝑛 = 86,33 𝑁 (19,42 𝑙𝑏)
90
Una vez identificadas las cargas a las que estará sometido el pasador, es necesario
encontrar cuál es la fuerza media cortante (Fmedia) y la fuerza cortante alternativa
(Falternante)
𝐹𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 =𝐹𝑚á𝑥 + 𝐹𝑚í𝑛
2
𝐹𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 =1.987,5 𝑙𝑏 + 19,42 𝑙𝑏
2
𝐹𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 = 8.927 𝑁 (2.007 𝑙𝑏)
De igual manera se procede a calcular Falternante:
𝐹𝑎𝑙𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑛𝑡𝑒 =𝐹𝑚á𝑥 − 𝐹𝑚í𝑛
2
𝐹𝑎𝑙𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑛𝑡𝑒 =1.987,5 𝑙𝑏 − 19,42 𝑙𝑏
2
𝐹𝑎𝑙𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑛𝑡𝑒 = 4.377,23 𝑁 (984,04 𝑙𝑏)
Una vez calculadas es posible realizar la siguiente deducción, los únicos esfuerzos
presentes en el pasador son cortantes, es por ello que se igualan.
𝜎𝑚 = 𝜏𝑚
𝜎𝑎 = 𝜏𝑎
Donde:
𝜎𝑚: Esfuerzo medio
𝜏𝑚: Esfuerzo cortante medio
𝜎𝑎: Esfuerzo alternante
𝜏𝑎: Esfuerzo cortante alternativo
Además, se plantea la ecuación por esfuerzo cortante doble, tal y como la figura 40
lo indica:
91
Figura 41. Diagrama de cuerpo libre pasador
De lo que es posible deducir que:
𝜏𝑚 =𝐹𝑚
2𝐴
𝜏𝑎 =𝐹𝑎
2𝐴
Determinando el valor de las reacciones en los apoyos del pasador se tiene que
para el determinar la superficie de sección transversal del pasador, es necesario
aplicar el método Goodman para esfuerzos cortantes fluctuantes en materiales
dúctiles, el cual se describe en la siguiente ecuación:21
𝐾𝑡 𝜏𝑎
𝑆′𝑠𝑛+
𝜏𝑚
𝑆𝑠𝑢=
1
𝑁
Donde
Kt: Concentrador de esfuerzos
N: Factor de seguridad
𝜏𝑎: Esfuerzo cortante alternativo
𝜏𝑚: Esfuerzo cortante medio
Debido a que no se cuentan con valores específicos de resistencia al cortante, el
autor Robert Mott recomienda estimar los datos con las siguientes ecuaciones:
𝑆′𝑠𝑛 = 0.577 𝑆′𝑛
𝑆𝑠𝑢 = 0.75 𝑆𝑢
21 MOTT, Robert. Diseño De Elementos De Máquinas. Cuarta ed. México: Pearson Educación, 2006
92
Método de estimación de la resistencia a la fatiga, según Robert Mott.
𝑆𝑛′ = 𝑆𝑛(𝐶𝑚)(𝐶𝑠𝑡)(𝐶𝑅)(𝐶𝑠)
Donde:
Sn’: Resistencia a la fatiga corregida.
Sn: Resistencia a la fatiga estimada.
Cm: Factor de material.
Cst: Factor de tipo de esfuerzo.
CR: Factor de confiabilidad.
Cs: Factor de tamaño
Como datos de entrada se tienen las propiedades mecánicas del acero AISI
1045 mencionadas en el Anexo B:
Sy= 310 MPa (45 ksi)
Su= 565 MPa (81,9 ksi)
En donde el primer valor, Sn se estima de acuerdo con la gráfica 6.
Gráfica 6. Resistencia a la fatiga
Fuente: MOTT, Robert. Diseño De Elementos De Máquinas. Cuarta ed. México:
Pearson Educacion, 2006
Conociendo ya la resistencia a la tensión (Su= 82KSi (565 MPa)) y el proceso de
manufactura (laminado en caliente) se puede conocer cuál es la resistencia a la
fatiga estimada:
𝑆𝑛 ≈ 172 𝑀𝑃𝑎 (25 𝑘𝑠𝑖)
93
Una vez conocida la resistencia a la fatiga estimada se procede con el factor del
material (Cm), el cual el autor Robert Mott, dice que para un acero forjado es:
𝐶𝑚 = 1
A continuación, se halla el factor de tipo de esfuerzo (Cst), que para este caso es
un esfuerzo de tipo flexionante, por ello:
𝐶𝑠𝑡 = 1
Posteriormente se halla el valor para el factor de confiabilidad (CR), por medio del
cuadro 14.
𝐶𝑅 = 0.90
Finalmente se halla el factor de tamaño (Cs), con ayuda de la gráfica 5:
Se estima un valor aproximado de la dimensión del pasador, tomando el mismo
como 0.5 pulgadas (12.7 mm) y cruzando con la función de la gráfica el factor por
tamaño (Cs):
𝐶𝑠 = 0.94
Una vez determinadas todas las constantes de la ecuación, se procede a hallar el
valor de la resistencia a la fatiga corregida (Sn’):
𝑆𝑛′ = 25𝑘𝑆𝑖(1)(1)(0.90)(0.94) = 21.15 𝑘𝑆𝑖 (146𝑀𝑃𝑎)
Con el valor de la resistencia a la fatiga corregido (Sn’) es posible hallar los factores
S’sn y Ssu:
𝑆′𝑠𝑛 = 0.577 (21.15 𝑘𝑆𝑖) = 12.20 𝑘𝑆𝑖 (84.11 𝑀𝑃𝑎)
𝑆𝑠𝑢 = 0.75 (82 𝑘𝑆𝑖) = 61.5 𝑘𝑆𝑖 (424 𝑀𝑃𝑎)
94
Posteriormente se aplica el método de Goodman para esfuerzos cortantes
fluctuantes con el fin conocer la superficie de la sección transversal que tendrá el
pasador:
𝐾𝑡 𝜏𝑎
𝑆′𝑠𝑛+
𝜏𝑚
𝑆𝑠𝑢=
1
𝑁
Se tienen que las ecuaciones para el esfuerzo cortante doble son:
𝜏𝑎 =𝐹𝑎
2𝐴
𝜏𝑚 =𝐹𝑎
2𝐴
𝐾𝑡 (𝐹𝑎2𝐴)
𝑆′𝑠𝑛+
(𝐹𝑚2𝐴 )
𝑆𝑠𝑢=
1
𝑁
Para este caso Kt=1, es decir, el pasador no presenta concentración de esfuerzos.
𝐴𝑚í𝑛 =𝑁
2(
𝐹𝑎
𝑆′𝑠𝑛+
𝐹𝑚
𝑆𝑠𝑢) =
2
2(
2.007 𝑙𝑏
12200 𝑝𝑠𝑖+
984,04 𝑙𝑏
61500 𝑃𝑆𝑖) = 4,572 𝑚𝑚2(0,18 𝑖𝑛2)
De la ecuación de la superficie de la sección transversal de una circunferencia se
halla el radio del pasador:
𝐴𝑚í𝑛 = 𝜋𝑟2
Así, despejando el radio:
𝑟𝑚í𝑛 = √𝐴𝑚í𝑛
𝜋= √
(0,18𝑖𝑛2)
𝜋
𝑟𝑚í𝑛 = 6,1 𝑚𝑚 (0,24 𝑖𝑛)
El diámetro mínimo para el pasador será de:
∅𝑚í𝑛 = 0,24𝑖𝑛 ∗ 2 = 12,2 𝑚𝑚 (0,48 𝑖𝑛)
95
6.4 SISTEMA DE SUJECIÓN
Como se había visto en el capítulo de planteamiento de alternativas, se seleccionó
la alternativa que mejor solucionará las problemáticas, por ello en esta sección se
presenta el diseño final para el dispositivo con sujeción neumática, partiendo en
primera medida por el diseño de un plano neumático que brinde solución al
problema, el cual se puede apreciar en la figura 42.
Figura 42. Plano neumático del sistema de sujeción
Del plano neumático es importante resaltar que es necesario que el sistema de
sujeción actúe únicamente para contrarrestar la fuerza ejercida por la compresión
del resorte de las unidades inyectoras, de este modo una vez seleccionada la
configuración de los elementos neumáticos para el diseño del sistema de sujeción
se procede a la selección de los actuadores (cilindros neumáticos).
Como primera medida es necesario conocer cuáles son las variables de entrada,
las cuales se pueden apreciar en la tabla 14, el cual está basado en el sub capítulo
Tabla 14. Variables de entrada sistema de sujeción
PARÁMETRO UNIDAD VALOR
Carga N 424,55
Desplazamiento mm 120
Una vez establecidas las variables de entrada será necesario determinar cuál debe
ser el diámetro del vástago del cilindro para que la carga de 424,55 N ( ver página
61 valor de S), causada por efectos del resorte de la unidad inyectora del motor
Caterpillar C15, el cual representa el caso más crítico, sea contrarrestada. De este
modo a través del Anexo E, se determina que es necesario utilizar dos cilindros
neumáticos de referencia DNU-40-150-PPV.
96
“Adicionalmente a la selección de los actuadores y aditamentos de regulación, se
debe calcular cual será el consumo de aire de los cilindros neumáticos para cumplir
dicha función:”22
𝑉 =𝜋
4(∅𝑒2 − ∅𝑣2) 𝐿𝑐
De acuerdo con el Anexo E, los diámetros del émbolo (∅𝑒) y del vástago (∅𝑣) del
cilindro son:
∅𝑒 = 40 𝑚𝑚
∅𝑣 = 16 𝑚𝑚
𝐿𝑐 = 150 𝑚𝑚
El valor de volumen en cada ciclo:
𝑉 =𝜋
4(2(0,04𝑚)2 − (0,016 𝑚)2) (0,150 𝑚)
𝑉 = 3,47 ∗ 10−4 𝑚3
𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜⁄
Ahora es posible determinar el consumo de aire en función de los ciclos realizados:
𝑄𝑚𝑎𝑛 = 𝑁𝑐 ∗ 𝑉
𝑄𝑚𝑎𝑛 = (4 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜
ℎ∗ 3,47 ∗ 10−4 𝑚3
𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜⁄ ) ∗ 2
𝑄𝑚𝑎𝑛 = 0,0028 𝑚3
ℎ⁄ (2,8 𝐿ℎ⁄ )
Con los anteriores datos se realiza el dimensionamiento de la tubería.
22 Cálculo De Cilindros. Fuerza. Consumo De Aire. Disponible en: http://e-
ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/1000/1144/html/3_clculo_de_cilindros_fuerza_consumo_de_aire.html
97
Gráfica 7. Diámetro de tubería
Fuente: http://www.mescorza.com/neumatica/neumateoria/tema3/tub1.htm
Debido a que el caudal es significativamente bajo, se asume un valor de diámetro
de tubería 6,35 mm (1/4 in), siendo ésta la que utiliza el laboratorio actualmente.
En la figura 43 es posible visualizar el plano de la red neumática diseñada para el
sistema de sujeción.
Figura 43. Plano red neumática
98
De acuerdo con la figura anterior se deduce que la longitud inicial de la red es:
𝐿 = 25 𝑚
Debido a que el caudal del sistema es bajo, se selecciona el mismo diámetro de
tubería con el que actualmente cuenta la red neumática del laboratorio:
∅ = 6,35 𝑚𝑚 (1/4 𝑖𝑛)
Con ayuda del gráfico 8, se establecen cuáles deben ser las longitudes
suplementarias de cada uno de los accesorios de la red neumática.
Gráfica 8. Longitudes supletorias
Fuente: http://www.mescorza.com/neumatica/neumateoria/tema3/tub1.htm
Debido a que el diámetro nominal de la tubería es bajo y no se alcanza a apreciar
en la gráfica se concluye que la longitud suplementaria para cada uno de los
accesorios es:
𝐿𝑠𝑢𝑝𝑙𝑒𝑡𝑜𝑟𝑖𝑎 = 0,20 𝑚
99
La longitud en los accesorios es:
𝐶𝑜𝑑𝑜𝑠 = 2 ∗ 0,20 𝑚 = 0,4 𝑚
𝑉𝑎𝑙𝑣𝑢𝑙𝑎𝑠 = 2 ∗ 0,20 𝑚 = 0,4 𝑚
Sumando las dos longitudes:
𝐿𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑜𝑟𝑖𝑜𝑠 = 𝐿𝑐𝑜𝑑𝑜𝑠 + 𝐿𝑣á𝑙𝑣𝑢𝑙𝑎𝑠
𝐿𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑜𝑟𝑖𝑜𝑠 = 0,4 𝑚 + 0,4 𝑚 = 0,8 𝑚
Es decir que la longitud total de la tubería basada en la longitud suplementaria es:
𝐿𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐿 + 𝐿𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑜𝑟𝑖𝑜𝑠
𝐿𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 25 𝑚 + 0,8 𝑚
𝐿𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 25,8 𝑚
El dimensionamiento de la tubería de la red neumática se resume en el cuadro 19.
Cuadro 8. Características red neumática
DESCRIPCIÓN MAGNITUD UNIDAD
Longitud 25,8 m
Diámetro 6,35 mm
Número de codos 2
Número de válvulas 2
6.5 SISTEMA ELECTRÓNICO
El sistema electrónico está basado en el plano que se puede apreciar en la figura
44.
Figura 44. Plano eléctrico
100
Tal y como se puede observar y como se ha mencionado anteriormente, el
osciloscopio y el generador de pulsos se conectan a la toma corriente de 110 V; el
osciloscopio recibe señales directamente del sensor inductivo y del amperímetro
que registra lo que ocurre con el sensor, el sensor piezoeléctrico a su vez está en
contacto con la inyección de combustible registrando de esta manera un pico de
corriente que puede ser visualizado en el osciloscopio. El generador de pulsos está
conectado directamente a la bobina de la unidad inyectora, éste está
predeterminado para cada uno de las múltiples marcas de unidades inyectoras.
6.6 SELECCIÓN DE ACOPLE
El acople es el dispositivo mecánico transmisor de potencia entre el eje del motor
eléctrico del banco de pruebas y el dispositivo de accionamiento para las unidades
inyectoras, como se puede apreciar en la figura 45. Éste es el elemento fusible
dentro del montaje, garantiza que dado alguna circunstancia de fallo ni el eje del
motor ni el del dispositivo de accionamiento se vean afectados. Comercialmente los
acoples utilizados en estos casos son conocidos como acople tipo manchón, de
acuerdo a las dimensiones del eje central del dispositivo de accionamiento para las
unidades inyectoras, se selecciona el acople tipo “P”, ver anexo K
Figura 45. Acoplamiento del dispositivo
101
7. SIMULACIÓN MEDIANTE ELEMENTOS FINITOS
7.1 EJE CENTRAL
En la simulación del eje central se pretende visualizar los esfuerzos por contacto
(hertzianos) producidos por acción de la leva al rodillo y viceversa, debido a que
comparados con los esfuerzos por flexión, torsión y cortantes son significativamente
altos, constituyendo de este modo el peor de los casos. En la figura 46 es posible
apreciar la fase de pre procesamiento de la simulación, en donde son aplicadas las
cargas (Torque, restricciones, carga aplicada y relaciones por contacto).
Con un tamaño de malla de 5 mm tetraédrico 3D, tanto para el eje central y para el
rodillo, ambos con material AISI 4340 especial para aplicaciones de mecanismos de
leva seguidor, algunas de sus características son apreciables en la tabla 5
anteriormente mostrada
Figura 46. Etapa pre-procesamiento eje
Como se puede apreciar en la figura 47, los dos cuerpos, eje de leva y rodillo, se
encuentran en contacto creando una superficie crítica de contacto.
102
Figura 47. Esfuerzos hertzianos
De esta manera se identifica un esfuerzo máximo de compresión computacional,
siendo este:
𝜎𝑐𝑜𝑚𝑝𝑀á𝑥𝐶𝑜𝑚𝑝𝑢𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 = 935 𝑀𝑃𝑎 (137.000 𝑝𝑠𝑖)
De igual forma es posible identificar el valor analítico para el esfuerzo máximo de
compresión calculado anteriormente y que puede ser visto en el cuadro 12.
𝜎𝑐𝑜𝑚𝑝𝑀á𝑥𝐴𝑛𝑎𝑙í𝑡𝑐𝑜 = 1.046 𝑀𝑃𝑎 (151.731,7 𝑝𝑠𝑖)
Con estos dos valores, uno analítico y el otro computacional es posible determinar
el error de aproximación porcentual.
%𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 =𝜎𝑐𝑜𝑚𝑝𝑀á𝑥𝐴𝑛𝑎𝑙í𝑡𝑐𝑜 − 𝜎𝑐𝑜𝑚𝑝𝑀á𝑥𝐶𝑜𝑚𝑝𝑢𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙
𝜎𝑐𝑜𝑚𝑝𝑀á𝑥𝐴𝑛𝑎𝑙í𝑡𝑐𝑜∗ 100
%𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 =151.731,7 𝑝𝑠𝑖 − 137.000 𝑝𝑠𝑖
151.731,7 𝑝𝑠𝑖∗ 100
%𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 9,7%
103
Debido a la geometría de las dos superficies en contacto, se crean esfuerzos
Hertzianos de característica cilíndrica, por ello la superficie de presión máxima es
pequeña y crítica en un punto, tal cual como se puede observar en la figura 48.
Figura 48. Área de contacto esfuerzos hertzianos
De igual manera es posible determinar el máximo desplazamiento que tendrán los
dos componentes, tal y como la figura 49 lo muestra, arrojando un valor lógico.
Figura 49. Desplazamiento
104
7.2 CARCASA
Debido a la naturaleza de las cargas por reacción del sistema, los rodamientos
absorben en su totalidad la magnitud de las mismas, a su vez los rodamientos
transmiten en forma radial y en todas las direcciones la magnitud de la carga hacia
el conjunto de carcasa del dispositivo, superior e inferior.
7.2.1 Parte Inferior. Debido a que no existe un método analítico para el cálculo de
la resistencia de materiales en carcasas, es necesario realizar la simulación para
validar que la geometría y el material seleccionado sean aceptables; en la fase de
pre-procesamiento se identifica la carga actuante sobre la carcasa, en este caso es
la de la reacción absorbida por el rodamiento y finalmente se realiza la restricción a
la cara inferior de la carcasa que es la que está en contacto con la bancada del
banco de pruebas; en la figura 50 es posible visualizar la etapa de pre-
procesamiento.
Figura 50. Etapa pre-procesamiento carcasa
Una vez identificados los datos de entrada se específica de qué material está
fabricada la carcasa, basados en la tabla 15.
Tabla 15. Propiedades fundición gris G60
PROPIEDADES MECÁNICAS
Límite de Fluencia 382 Mpa
Tensión de Rotura 632 Mpa
Coeficiente de Poisson 0,25
Módulo de Young 158 Gpa Fuente: Software NX 9.0
105
Una vez establecidos los datos de entrada es posible realizar la simulación, cuyos
resultados pueden ser apreciados en la figura 51 y 52, siendo desplazamiento y
esfuerzo Von Mises respectivamente.
Figura 51. Desplazamiento carcasa inferior
Figura 52. Esfuerzo Von Mises carcasa inferior
106
Se observa que los valores críticos de esfuerzos estarán presentes en la cara
poligonal donde se asentará el rodamiento, arrojando un valor máximo de esfuerzo
Von Misses de:
𝜎𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑛𝑡𝑒 = 3,987 𝑀𝑃𝑎
Lo cual comparado con el esfuerzo permisible del material es significativamente
menor, asegurando de esta manera que la geometría y el material seleccionado
están en la capacidad de soportar las condiciones naturales de funcionamiento del
sistema.
7.2.2 Parte Superior. Para una mejor visualización de la carcasa superior se realiza
un corte transversal para poder identificar cuáles son los puntos en donde está
aplicada la carga. Es necesaria una fase de pre-procesamiento para realizar la
simulación, como se puede apreciar en la figura 53.
Figura 53. Etapa pre-procesamiento carcasa superior
Es de resaltar que en este caso se selecciona el mismo material que se usa en la
carcasa inferior fundición de hierro G60, cuyas propiedades se encuentran en la
tabla 15.
107
Una vez concluida la fase de pre-procesamiento, se inicia la simulación, arrojando
resultados de esfuerzo Von Misses apreciados en la figura 54.
Figura 54. Esfuerzos Von Mises carcasa superior
Para poder visualizar de manera específica cuál es el valor máximo de
desplazamiento se realiza un corte como lo muestra la figura 55.
Figura 55. Desplazamiento carcasa superior
108
De la anterior figura se concluye que el valor máximo de desplazamiento se
encuentra dentro de un rango coherente, por lo que tanto la geometría como el
material son los adecuados para esta aplicación.
7.3 PLATINA DE SUJECIÓN
Es el aditamento mecánico que permitirá mantener el inyector en contacto con la
leva del eje central, que se encuentra sometida a la carga creada por efectos de
compresión del resorte de las unidades inyectoras (424,55 N), mientras que en los
dos extremos los cilindros neumáticos servirán de puntos de apoyo, los cuales
absorberán dicha carga; en la figura 56 se observa la fase de pre-procesamiento de
la simulación, en donde es aplicada la carga y se restringen los puntos de apoyo.
Figura 56. Fase pre-procesamiento platina
De lo anterior es pertinente decir que para dicha simulación se utiliza un material de
prueba AISI 1020, del cual es posible destacar sus principales propiedades
mecánicas tal y como lo muestra la tabla 16.
Tabla 16. Propiedades mecánicas AISI 1020
PROPIEDAD MAGNITUD UNIDAD
Densidad 7.870 Kg/m3
Límite de Fluencia 345 MPa
Límite Último 440 MPa
Módulo de Elasticidad 186.000 MPa
Módulo de Poisson 0,29 -------------- Fuente: AISI 1020 Steel, Normalized at 870°C (1600°F).
Disponible en: http://www.matweb.com
109
Una vez obtenidas las variables de entrada, se procede a realizar la simulación bajo
las condiciones anteriormente mencionadas; en la figura 57 es posible observar el
desplazamiento que llegaría a tener la platina de sujeción.
Figura 57. Desplazamiento platina
De lo anterior es notable destacar que el desplazamiento máximo no es de gran
magnitud, asegurando de esta manera que la geometría de la platina de sujeción
cumple al menos con un criterio fundamental para el diseño.
De igual manera es posible identificar cuál es el máximo valor de esfuerzo Von
Misses encontrado en la geometría de la platina de sujeción, tal y como la figura 58
lo muestra.
Figura 58. Esfuerzo Von Mises platina
110
Lo anterior, es posible realizar un cálculo para identificar a qué factor de seguridad
está sometida la platina:
𝐹. 𝑆 =𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒
𝜎𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑛𝑡𝑒
𝐹. 𝑆 =345 𝑀𝑃𝑎
36,11 𝑀𝑃𝑎
𝐹. 𝑆 = 9,5
Con este valor se puede concluir que la geometría y el material seleccionado son
aptos para soportar las cargas a las que está sometida la platina de sujeción.
7.4 CUERPO DEL IMPULSADOR
Dadas las condiciones y geometría del cuerpo del impulsador, es necesario realizar
un análisis computacional del comportamiento del mismo para verificar que si
cumpla con las variables de diseño (geometría y material seleccionado) fundición
nodular.
El impulsador está sometido a cargas ubicadas en el agujero donde se introduce el
pasador, la carga allí presente es la que el sistema deberá hacer para vencer la
constante del resorte, en la figura 59 se puede apreciar la fase de pre-
procesamiento del impulsador, donde se seleccionó el tipo de malla y tamaño,
material, se pusieron las restricciones y cargas al sistema.
Figura 59. Fase de pre-procesamiento cuerpo impulsador
111
Posteriormente la simulación computacional arroja datos referentes al
desplazamiento y esfuerzo Von Mises en el sistema, encontrados en la figura 60 y
61 respectivamente. Los cuales, en caso de la figura de desplazamiento el software
arroja un valor que no es muy alto, lo cual es acertado.
Figura 60. Desplazamiento cuerpo impulsador
Figura 61. Esfuerzo Von Mises cuerpo impulsador
112
8. MANUAL DE OPERACIÓN
En el manual de operación del dispositivo se indica el correcto funcionamiento y
procedimiento para la prueba de las unidades inyectoras, siempre pensando en la
seguridad del operador y para conservar la vida útil del dispositivo, en la tabla 17 es
posible observar la ficha técnica del dispositivo y de cada una de las variables de
operación de los sub sistemas.
Tabla 17. Ficha técnica dispositivo
SISTEMA MECÁNICO
Máxima velocidad de operación 1050 RPM
Lubricación SAE 15 W 40
Torque 135,58 Nm
SISTEMA DE SUJECIÓN
Presión de operación 6 bar
Consumo de aire 2,8 L/h
Volumen de aire por ciclo 0,0074 m3/ciclo
Diámetro del embolo 40 mm
Diámetro del vástago 16 mm
Longitud de carrera 320 mm
Fuerza de avance 753 N
Fuerza de retroceso 633 N
SISTEMA ELECTRÓNICO
Pinza amperimétrica 0-60 A
Osciloscopio 1 MHz
Sensor piezo eléctrico 30-180 MPa
Es de gran importancia que para la puesta en funcionamiento del dispositivo con la
unidad inyectora ensamblada, se cuente con datos básicos del fabricante acerca de
los parámetros de prueba, ya que con estos se garantizará la seguridad del proceso,
además, el técnico operador del dispositivo deberá tener un conocimiento avanzado
en sistemas de inyección diesel EUI-UPS, puesto que deberá leer e interpretar
información técnica que involucra el proceso de inyección de combustible a alta
presión, garantizar que el proceso de prueba se lleve a cabo lo más seguro y eficaz
posible y que conozca el funcionamiento básico del dispositivo; dicho operario
deberá trabajar bajo la protección de los EPP (Elementos de Protección Personal).
113
Debido a los altos decibeles producidos por la inyección de combustible, es
recomendable el uso de protección adecuada para evitar daños al sistema auditivo.
Figura 62. Protección auditiva
Fuente: [Anónimo] PROTECTORES AUDITIVOS Y VISUALES EN
LA PRÁCTICA DEL TIRO DEPORTIVO - - Noticias - Centro De
Estudios Balísticos ROSARIO. [Consultado el 2/1/20172017].
Disponible en: http://www.cesbarosario.com.ar/
Es recomendable el uso de lentes protectores, debido a las elevadas presiones a
las que el combustible es inyectado.
Figura 63. Protección visual
Fuente: [Anónimo] Lentes De Seguridad, Caracas – Venezuela
: Soluciones Integrales. [Consultado el 10/25/20162016].
Disponible en: en: http://www.solucionesintegraleshl.com/
114
El uso de calzado de seguridad antideslizante, es de vital importancia debido a un
posible riego de combustible en el suelo.
Figura 64. Calzado de seguridad
Fuente: [Anónimo] Señal De Uso De Calzado
De seguridad| Señales De Uso De Calzado
De Seguridad|" USAR CALZADO DE
SEGURIDAD". [Consultado el 10/25/2016].
Disponible en: http://extintorescelta.com/
Finalmente, el uso de overol y/o ropa especializada para trabajo pesado debido al
manejo de combustibles y demás sustancias químicas, es de igual manera de vital
importancia.
Figura 65. Protección corporal
Fuente: [Anónimo] 3003 - Uso Obligatorio De Overol - Tienda Virtual
De Avisos. [Consultado el 10/25/20162016]. Disponible en:
http://tiendavirtualdeavisos.com/
115
Para el correcto uso del dispositivo es indispensable seguir las siguientes acciones
previo a la prueba de cualquier unidad inyectora; el cuadro 9 muestra cuál debe ser
la rutina de preparación.
Cuadro 9. Rutina de preparación para uso del dispositivo
PASO ACCIONES
1
Realice el montaje del dispositivo en el banco de pruebas
2
Ajuste el dispositivo a la bancada del banco de pruebas
116
(Continuación) Cuadro 9. Rutina de preparación para uso del dispositivo
PASO ACCIONES
3 Realice el montaje y ajuste el acople al eje central
del dispositivo
4 Realice la conexión del sistema neumático al
dispositivo
117
(Continuación)
Cuadro 9. Rutina de preparación para uso del dispositivo
PASO ACCIONES
5 Verifique que los cilindros estén en la posición de retorno
6 Realice el montaje de la unidad inyectora al dispositivo
118
(Continuación)
Cuadro 9. Rutina de preparación para uso del dispositivo
PASO ACCIONES
7 Verifique que los tornillos de la platina de sujeción se encuentren ajustados
8 Accione los cilindros mediante el pulsador verde de la válvula
5/3
119
(Continuación)
Cuadro 9. Rutina de preparación para uso del dispositivo
PASO ACCIONES
9 Asegúrese que la unidad inyectora se encuentre fija
10 Encienda el osciloscopio
11 Encienda el banco de pruebas
12 Verifique que la rotación del banco sea ANTIHORARIA
13 Interprete las pruebas que se le van a realizar a la unidad
inyectora
14 Inicie las pruebas pertinentes según fabricante de las unidades inyectoras
Además, en el cuadro 10, se dan algunas precauciones que debe tener el operario
al operar el dispositivo.
120
Cuadro 10. Recomendaciones durante la operación
Siempre utilice los elementos de protección personal
Por ningún motivo accione el pulsador de la válvula 5/3
Mantenga alejado cualquier objeto de la zona de giro del dispositivo
No introduzca objetos extraños en la zona de la leva
No exceda la velocidad máxima de operación del dispositivo
No quite la manguera en donde va el sensor de presión
Tenga en cuenta que cualquier objeto en la zona de giro se vuelve un proyectil
8.1 INSUMOS
Para la operación del dispositivo es necesario contar con algunos insumos para la
tarea de diagnóstico y puesta a punto, los cuales son de uso personal para el técnico
operador y otros necesarios para las tareas técnicas que requieran las pruebas
realizadas a las unidades inyectoras, estos están indicados en los cuadros 11 y 12
respectivamente.
Cuadro 11. Insumos Personales
INSUMOS PERSONALES
Estopa
Bayetilla absorbente
Tapabocas
Lámpara
Cuadro 12. Insumos especializados
Probetas 45 mL
Kit de llaves milimétricas
Kit de llaves en pulgadas
Calibrador pie de rey electrónico
Mangueras de suministro y retorno de combustible
Acoples rápidos para conexión de líneas de combustible
Datos de calibración de las unidades inyectoras
Software especializado para cada uno de los fabricantes de unidades inyectoras
121
9. EVALUACIÓN FINANCIERA
En este capítulo se evalúa financieramente el proyecto, tomando como referencia
los costos operacionales anuales actuales y los costos operacionales anuales con
el proyecto implementado, evaluando mediante dos criterios de viabilidad, Valor
presente neto y la tasa interna de retorno.
9.1 COSTOS DE INGENIERÍA
Los costos de ingeniería son aquellos recursos necesarios para el desarrollo del
proyecto.
Tabla 18. Costos de talento humano
ITEM UNIDAD CANTIDAD VALOR UNITARIO TOTAL
Proyectista Horas 765 $ 10.000 $ 7.650.000
Orientador Horas 38 $ 15.000 $ 570.000
Asesor Horas 100 $ 23.500 $ 2.350.000
Total $ 10.570.000
Tabla 19. Gastos de maquinaria y equipos
ITEM UNIDAD CANTIDAD VALOR UNITARIO TOTAL
Licencia NX 9.0 Horas 300 $ 2.831 $ 849.300 Licencia Solid Edge ST8 Horas 600 $ 4.710 $ 2.826.000
Computador Portátil Unidad 1 $ 1.500.000 $ 1.500.000 Memoria USB 16 GB Unidad 1 $ 20.000 $ 20.000
Total $ 5.195.300
Tabla 20. Gastos fungibles
ITEM UNIDAD CANTIDAD VALOR UNITARIO TOTAL
Papel Resma 3 $ 7.800 $ 23.400
Fotocopias Unidades 100 $ 50 $ 5.000
Impresiones Unidades 1000 $ 300 $ 300.000
Impresión Plotter Unidades 20 $ 2.000 $ 40.000
Total $ 368.400
122
Sumando cada uno de los valores vistos anteriormente se obtiene uno sólo al cual
se llama costo de ingeniería
Tabla 21. Costos de ingeniería
CONCEPTO VALOR
Costo de talento humano $ 10.570.000
Gastos de maquinaria y equipos $ 5.195.300
Gastos fungibles $ 368.400
Total costos ingeniería $ 16.133.700
9.2 COSTOS DE MANUFACTURA
Hacen referencia a los costos por concepto de elaboración del dispositivo, cada uno
de los aditamentos que hacen parte del dispositivo y el costo por manufactura de
las carcasas, eje central y platina de sujeción, en la tabla 22 se puede apreciar cada
uno de los costos de fabricación, basados en el Anexo I
Tabla 22. Costos de fabricación
123
Calculado el costo de fabricación del dispositivo es posible determinar la inversión
total para la fabricación del dispositivo, lo cual es posible verlo en la tabla 22.
Tabla 23. Inversión total
CONCEPTO VALOR
Costo de ingeniería $ 16.133.700
Costo de fabricación $ 35.259.400
Total $ 51.393.100
9.3 COSTOS OPERACIONALES ACTUALES
Actualmente para las labores de diagnóstico, desarme, puesta a punto y
reclamaciones se están usando dos técnicos los cuales crean un costo mostrado en
la tabla 24.
Tabla 24. Costos por operarios actuales
CONCEPTO VALOR/MES
Salario Mínimo $ 689.454
Auxilio de Transporte $ 77.700
Salud $ 27.578
Pensión $ 80.149
Cesantías $ 57.432
Primas $ 689.454
A.R.P $ 11.238
Dotación $ 800.000
Vacaciones $ 28.681
Parafiscales $ 62.051
Cantidad de operarios 2
Costo mensual operario $ 2.523.737
Costo anual operario $ 30.284.843
Costo total anual operarios $ 60.569.687
124
Debido a que en parte del servicio se usa un intermediario y además se reciben
servicios reclamaciones por parte de los clientes, es necesario sumar esos dos
conceptos dentro de los costos actuales de operaciones, tal y como se ve en la tabla
25.
Tabla 25. Costo actual de operación
CONCEPTO VALOR UNIDAD
Costo de puesta a punto externo $ 45.000 $/operación
Costo por reclamaciones $ 55.000 $/operación
Servicios por reclamaciones 36 servicio/año
Operaciones al año 216 operación/año
Costo total anual operarios $ 60.569.687 $/año
Total $ 72.269.687 $/año
9.4 COSTOS OPERACIONALES CON PROYECTO
Con el proyecto sólo es necesario un técnico operario del dispositivo, puesto que
los costos por operario son reducidos a la mitad, como se muestra en la tabla 26.
Tabla 26. Costo por operario con proyecto
CONCEPTO VALOR/MES
Salario Mínimo $ 689.454
Auxilio de Transporte $ 77.700
Salud $ 27.578
Pensión $ 80.149
Cesantías $ 57.432
Primas $ 689.454
A.R. P $ 11.238
Dotación $ 800.000
Vacaciones $ 28.681
Parafiscales $ 62.051
Costo mensual operario $ 2.523.737
Costo anual operario $ 30.284.844
125
Costos por mantenimiento son adicionados dentro de los costos totales del
proyecto, como se muestra en la tabla 27.
Tabla 27. Costos por mantenimiento
CONCEPTO VALOR UNIDAD
Mano de obra $ 300.000 $/año
Cuarto de aceite multigrado SAE 15W40 $ 37.800 $/año
Retenedor SKF $ 16.704 $/año
Rodamientos SKF $ 73.776 $/año
Total $ 428.280 $/año
Adicional a los costos de mantenimiento existen también costos por energía
consumida, como se muestra en la tabla 28.
Tabla 28. Costos por energía consumida
TIPO MAGNITUD UNIDAD
Costo de energía 445,45 $/kWh
Consumo 14,92 kW
Duración de prueba 1 hora
Pruebas 18 Prueba/mes
216 Prueba/año
Costo por operación $ 6.646 $/prueba
Costo anual de operación $ 1.435.561 $/año
En la tabla 29, es posible apreciar los costos totales operacionales con el proyecto
Tabla 29. Costos totales con proyecto
CONCEPTO VALOR UNIDAD
Costos por energía consumida $ 1.435.561 $/año
Costo total del operario $ 30.284.843 $/año
Costo de mantenimiento $ 428.280 $/año
Total año $ 32.148.684 $/año
126
9.5 ANÁLISIS FIINANCIERO
Para el análisis financiero del dispositivo de comparan los costos operacionales sin
el proyecto y con él, para llegar a un único flujo de efectivo, siendo este la diferencia
entre los costos sin y con el proyecto. Posteriormente se evaluará mediante VPN
(Valor Presente Neto) y la TIR (Tasa Interna de Retorno).
“Para el cálculo de las anualidades en un horizonte de 5 años, se utiliza un IPC de
3,5% según la UPME (Unidad de Planeación Minero Energética)”23
Tabla 30. Flujo de efectivo costos actuales
Tabla 31. Flujo de efectivo con proyecto
Tabla 32. Diferencia costos actuales vs con proyecto
Una vez calculadas las anualidades respectivas para cada uno de los años se
procede a realizar el flujo de efectivo para la implementación del proyecto, mostrado
en la gráfica 9.
Gráfica 9. Flujo de efectivo del proyecto
23 http://www1.upme.gov.co/
127
El Laboratorio Omega Diesel Ltda establece como TIO (Tasa Interna de Retorno)
un 40%, establecido esto es posible calcular el VPN a continuación:
𝑉𝑃𝑁 = −𝐼 +𝐹𝐶1
(1 + 𝑖)1+
𝐹𝐶2
(1 + 𝑖)2+
𝐹𝐶3
(1 + 𝑖)3+
𝐹𝐶4
(1 + 𝑖)4+
𝐹𝐶5
(1 + 𝑖)5
𝑉𝑃𝑁 = −51.393.100 +40.121.003
(1 + 0,4)+
41.525.238
(1 + 0,4)2+
42.978.621
(1 + 0,4)3+
44.482.873
(1 + 0,4)4+
46.039.774
(1 + 0,4)5
𝑉𝑃𝑁 = $34.253.504
De acuerdo a los criterios es necesario que se cumpla la siguiente desigualdad para
catalogar el proyecto como viable.
𝑉𝑃𝑁 > 0
Acorde al resultado obtenido el proyecto se cataloga como viable, puesto que el
VPN es mayor a cero como se muestra a continuación.
$34.253.504 > 0
A continuación, se procede a evaluar mediante la TIR mediante la ecuación que se
muestra.
0 = −51.393.100 +40.121.003
(1 + 𝑇𝐼𝑅)+
41.525.238
(1 + 𝑇𝐼𝑅)2+
42.978.621
(1 + 𝑇𝐼𝑅)3+
44.482.873
(1 + 𝑇𝐼𝑅)4+
46.039.774
(1 + 𝑇𝐼𝑅)5
𝑇𝐼𝑅 = 76%
Para que el proyecto sea viable es necesario que se cumpla la siguiente
desigualdad.
𝑇𝐼𝑅 > 𝑇𝐼𝑂
76% > 40%
128
10. CONCLUSIONES
El proyecto es viable económicamente, dado que el Laboratorio Omega Diesel
Ltda. ahorrará en promedio $34.000.000 anualmente al no necesitar externalizar
más el servicio a intermediarios, el cual genera inflación en el valor del servicio
al público.
Las variables como volumen de dosificación y tiempo de dosificado podrán ser
visualizadas en el osciloscopio por el operario, garantizando que las unidades
en prueba están en óptimas condiciones para su operación en el motor.
Controlando la variable de tiempo de inyección, la más crucial dentro del proceso
de prueba y puesta a punto, es posible reducir las reclamaciones puesto que se
puede asegurar que la inyección se realice en el momento justo.
Los costos anuales por mantenimiento del dispositivo diseñado son
significativamente bajos teniendo en cuenta la calidad de los materiales; sólo es
necesario una inspección regular al volumen de aceite en el depósito y limpieza
al eje.
Con el uso del dispositivo diseñado se pueden disminuir las reclamaciones para
que de esta manera se eleve el nivel de eficacia de la garantía del servicio
prestado.
129
11. RECOMENDACIONES
Es importante seguir las instrucciones del manual de operación, además, de
resaltar que el dispositivo requiere un conocimiento avanzado en sistemas de
inyección Diesel EUI-UPS para su operación.
El operario encargado deberá realizar inspecciones rutinarias cada vez que sea
utilizado el dispositivo, con el fin de validar su óptimo estado operativo.
Se deben utilizar siempre los elementos de protección personal cuando se esté
operando el dispositivo.
130
BIBLIOGRAFIA
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3003 - Uso Obligatorio De Overol - Tienda Virtual De Avisos. Disponible en: http://tiendavirtualdeavisos.com/informativa/151-1000-precaucion-trabajos-en-curso.html
AISI 1020 Steel, Normalized at 870°C (1600°F). Disponible en: http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=2740581369f3421dac0d8c91294b5935&ckck=1
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131
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INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TECNICAS Y SERTIFICACION. Trabajos escritos: presentación y referencias bibliográficas. NTC 1486 documentación, presentación de tesis, trabajo de grado y otros trabajos de investigación. Sexta actualización. Bogotá: ICONTEC, 2008 P.110
Laboratorio Omega Diesel Ltda. Portafolio De Servicios Laboratorio Omega Diesel.2010.
Libardo Vanegas Useche, Ing. Mecánico., M.Sc., Ph.D. Disponible en: http://www.utp.edu.co/~lvanegas/
MOTT,Robert. Diseño De Elementos De Máquinas. Cuarta edición ed. México: Pearson Educacion, 2006.
NORTON,Robert. Failure of Cam Systems-Stress, Wear, Corrosion. En: Cam Design and Manufacturing Handbook. 2002.
ROCHE, Hugo y VEJO, Constantino. Métodos Cuantitativos Aplicados a La Administración:2005. 2
Rodamientos Rígidos De Una Hilera De Bolas - 6009. Disponible en: http://www.skf.com/co/products/bearings-units-housings/ball-bearings/deep-groove-ball-bearings/single-row-deep-groove-ball-bearings/single-row/index.html?designation=6009&unit=metricUnit
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SHIGLEY,Edward. Teoría De Máquinas y Mecanismos. Mc Graw Hill ed. 1988.
TAO,Qiu, et al. Optimising the cam profile of an electronic unit pump for a heavy-duty diesel engine.
132
ANEXOS
ANEXOS
133
ANEXO A
PROPIEDADES DEL ACERO ASTM A230
134
Fuente: [Anónimo]ASTM A230 Carbon Steel Wire [Print(0)]. [Consultado el 9/7/20162016].
Disponible http://www.matweb.com/search/datasheet.aspx?matguid=8f4bd7694ba342dcb
88a8a48961f9d00&ckck=1
Anexo A. Propiedades del ASTM
135
ANEXO B
PROPIEDADES MECÁNICAS ACERO AISI 1045
136
Fuente: [Anónimo]AISI 1045 Steel, Hot Rolled, 19-32 mm (0.75-1.25 in) Round [Print(0)].
[Consultado el 9/7/20162016]. Disponible
en: http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=4b0553daf9c245e684f219
9a48179d89
Anexo B. Propiedades mecánicas acero AISI 1045
137
ANEXO C
PROPIEDADES MECÁNICAS AISI 4340
138
Fuente: AISI 4340 Steel, Oil Quenched 855°C (1570°F), 230°C (450°F) Temper for 4 Hrs.
[Consultado el 10/17/20162016]. Disponible
en: http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=b5fe87c8cdde4431b62ad9
90d4f2042c&ckck=1
Anexo C. Propiedades mecánicas acero AISI 4340
139
ANEXO D
CATALOGO RODAMIENTOS PARA EJE CENTRAL
140
Fuente: Rodamientos Rígidos De Una Hilera De Bolas – 6009 [Consultado el
11/3/20162016]. Disponible en: http://www.skf.com/co/products/bearings-units-
housings/ball-bearings/deep-groove-ball-bearings/single-row-deep-groove-ball-
bearings/single-row/index.html?designation=6009&unit=metricUnit
Anexo D. Catalogo rodamientos para eje central
141
ANEXO E
CILINDROS NEUMATICOS
142
Fuente: Festo España. [Consultado el 10/17/20162016]. Disponible
en: https://www.festo.com/cms/es_es/index.htm
Anexo E. Cilindros neumáticos
143
ANEXO F
PROPIEDADES AISI 1020
144
Fuente: AISI 1020 Steel, Normalized at 870°C (1600°F). [Consultado el 11/13/20162016].
Disponible
en: http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=2740581369f3421dac0d8c
91294b5935&ckck=1
Anexo F. Propiedades AISI 1020
145
ANEXO G
CATÁLOGO SKF RETENEDORES
146
Fuente: Sellos Radiales De Eje Para Aplicaciones Industriales Generales - 30x46x7 HMS5
V. [Consultado el 11/15/20162016]. Disponible
en: http://www.skf.com/co/products/seals/industrial-seals/power-transmission-seals/radial-
shaft-seals-pt/index.html?designation=30x46x7 HMS5 V&unit=metricUnit
Anexo G. Catalogo SKF retenedores
147
ANEXO H
COTIZACIÓN SENSOR PIEZO-ELÉCTRICO
148
Fuente: Laboratorio Omega Diesel Ltda.
Anexo H. Cotización sensor piezo-eléctrico
149
ANEXO I
COTIZACIÓN SISTEMA NEUMÁTICO
150
Fuente: Laboratorio Omega Diesel Ltda.
Anexo I. Cotización sistema neumático
151
ANEXO J
COTIZACIÓN AUTO TOOLS
152
Fuente: Laboratorio Omega Diesel Ltda.
Anexo J. Cotización AutoTools
153
ANEXO K
CATÁLOGO ACOPLE TIPO MANCHÓN
154
Fuente: ERHSA
155
156
Anexo K. Catálogo
Acople
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