diseño y construcción de un banco de potencia con mesa de

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE POTENCIA CON
MESA DE ELEVACIÓN INDEPENDIENTE
Autor: Gómez Asensio, Álvaro
Directores: Rodas Urzúa, Estuardo
Entidad Colaboradora: The Cooper Union
INTRODUCCIÓN
En la universidad de Cooper Union, la asociación de alumnos Cooper Motorsports
llevan ya unos años presentándose a la competición entre universidades que organiza la
SAE (Society of Automotive Engineers) llamada Formula SAE en Michigan y
Montreal. En esta competición gana el equipo que más puntos consiga en dos apartados:
rendimiento y diseño. En el apartado de diseño gana puntos el equipo con un mejor
trabajo previo y que premia a los que le hayan dedicado más tiempo a hacer un buen
diseño aunque luego la ejecución no haya sido la mejor. Aun así el apartado con más
importancia al final es el de ser el más rápido. Para ello la Universidad de Cooper Union
se encontraba en desventaja, aunque pudiera hacer un diseño excelente no podía llevar a
la práctica lo diseñado creando muchas posibilidades de que algunas cosas puedan salir
mal. Al no tener una pista cerca por estar situado en el centro de Manhattan y tener que
desplazarse a muchos kilómetros (después de organizar el viaje para llevarse a un
equipo entero a hacer pruebas), al no tener todo el equipo necesario ni el ambiente ideal
para realizar arreglos y calibraciones se tiene que volver al taller perdiendo mucho
tiempo en el proceso.
El objetivo principal del proyecto del banco de potencia es precisamente conseguir
mejorar en los puntos de diseño así como en los puntos de rendimiento. Al tener en un
mismo espacio los dinamómetros de chasis y de motor y los talleres para realizar
cómodamente los arreglos necesarios se puede ahorrar mucho tiempo y en consecuencia
mejorar mucho en poco tiempo. Se hace mucho énfasis en el tiempo ya que es un factor
fundamental. Al ser un equipo de universidad, los miembros tienen otras tareas a las que
dedicarse y no le pueden dedicar su 100% con lo que al final muchos proyectos se
retrasan y los arreglos en el diseño se suelen hacer los últimos días, donde no se puede
perder ni un minuto.
Otro tema a solventar es el del espacio dentro del laboratorio donde iría instalado el
banco dinamométrico. Otro factor a tener en cuenta es que al necesitar de un sistema de
extracción de humos, el banco sólo se puede instalar en una parte del laboratorio con
este sistema. Este espacio en el laboratorio de Cooper Union está ya muy ocupado por
otras máquinas como dinamómetros de motores y zonas de pintura. Por esta razón se
necesitaba una máquina modular que se pudiera separar y que se le pudiera dar utilidad
en otra parte de la universidad así como ser trasladada con facilidad por los alumnos.
Por supuesto otro tema que no se puede olvidar (sobre todo en el ambiente de la
enseñanza) es el de la seguridad de los alumnos. Un sistema de seguridad tiene que ser
instalado con las capacidades de ocuparse de sustentar el aparato en caso de que algo
salga mal o se haga un mal uso de ella.
METODOLOGÍA DE TRABAJO
Primero se empezó por diseñar las rodillos sobre los que se colocan los neumáticos, una
vez conocido el peso de estos se debía diseñar la estructura sobre la que se asentarían
los rodamientos. Se hizo un análisis de elementos finitos para comprobar que ésta
cumplía los requisitos de rigidez estructural para la carga que iba a experimentar en su
vida. Por otra parte se pensaba en la mejor manera de crear una mesa que fuera móvil a
la vez que sencilla de construir y que pudiera cambiar en altura.
Por último una vez estuvo comprado el dinamómetro se diseñó la estructura para que
este no se pudiera mover debido al par resultante.
El proceso de construcción se desarrolló de la siguiente manera:
Se empezó por construir la estructura que soporta los rodillos, se soldó y así se hizo
también con la parte inferior de la mesa y después con la superior. Para construir la
estructura de la mesa hace falta cortar los tubos que se compraron todos en longitudes
de 6 y 8 pies de largo al largo determinado por los planos de las piezas para después ser
mecanizadas con la fresadora y las herramientas de mano necesarias para prepararlas
para la soldadura. Por último se compraron los materiales necesarios para la
construcción y realización del equilibrado de los rodillos. Para ello se utilizó la
fresadora con control numérico. El centrado del agujero y la cilindricidad y
circunferencia exteriores de los discos exteriores tenía que ser perfecto para poder tener
el mejor equilibrio a priori del equilibrado.
El diseño final sería cambiado varias veces para acomodarse a los materiales y
máquinas disponibles en la universidad Cooper Union. Por ejemplo, en un principio se
pensó en hacer carriles en los rodillos para mejorar la tracción de los neumáticos pero su
realización resultó ser muy complicada con la maquinaria de la universidad con lo que
se cambió por una pintura adherente en el exterior del rodillo. Así como la forma de la
estructura para los rodillos, la cual tuvo que ser alargada ya que debido a un error de
cálculo dejaba parte de la rueda colgando fuera del rodillo con la consiguiente pérdida
de tracción y por tanto deterioro de los resultados de las pruebas.
RESULTADOS
En estos momentos quedan muchas partes todavía de la máquina sin terminar, los
rodillos no se han equilibrado, el sistema de elevación de la mesa no se ha construido y
no se han atornillado al suelo las estructuras de los rodillos y del dinamómetro.
Tampoco se ha soldado la estructura del dinamómetro.
Aun así el resultado final ha sido satisfactorio en cuanto a la seguridad y reparabilidad
de la máquina. Cada parte que pueda romperse, se ha diseñado de tal manera que pueda
cambiarse fácilmente y que ésta al romperse no rompa otras partes más importantes
cercanas a ella. Por ejemplo, al unir los dos rodillos con un acoplamiento se cerciora
que si por alguna razón hay una parada en seco de un rodillo, esta fuerza se traslade al
acoplamiento y que éste se rompa, deteniendo el avance de la energía, este fenómeno se
da también en la cadena o correa que se usa para conectar el eje de los rodillos al
dinamómetro.
En el apartado de la seguridad, la mesa de elevación cuenta con unas palancas que los
alumnos deben mantener pulsadas mientras se está elevando o descendiendo la mesa y
si algún alumno ve que algo está yendo mal debe soltar inmediatamente la palanca y la
mesa se dejará de mover. Estas palancas mueven un cable que tira de un pin que
comprime un muelle a la vez que sale de un agujero de los practicados en diferentes
puntos de las patas de la mesa lo que permite a la parte superior moverse verticalmente.
CONCLUSIÓN
El banco de potencia es un dispositivo que conseguirá que el equipo de la universidad
consiga mejores resultados en la competición con lo que a su vez conseguirá que más
gente se apunte al proyecto, reduciendo esto a su vez el tiempo necesario para la
construcción y diseño de un nuevo coche. Este proceso es lo que comúnmente se conoce
como la pescadilla que se muerde la cola, cuanto mejor haga el equipo más motivación
habrá por parte de los estudiantes para participar en el proyecto, mejores patrocinadores
conseguirán y por tanto mejor coche conseguirán construir lo que le hará sacar un mejor
puesto que años anteriores.
Otro logro importante es el aprovechamiento del espacio del laboratorio ya que la mesa
también servirá para dar clase a los alumnos del programa STEM durante el verano.
DESIGN AND CONSTRUCTION OF A CHASSIS DYNAMOMETER
WITH AN INDEPENDENT LIFTING TABLE
Author: Gómez Asensio, Álvaro
Directors: Rodas Urzúa, Estuardo
Collaborating Entity: Cooper Union
INTRODUCTION
In the university Cooper Union, the student organization Cooper Motorsport has been
going for a couple of years to the competition organized by the SAE, Formula SAE in
Montreal and Michigan. In this competition the team that gains the most points is the
one that wins. These points can be achieved in two different categories: design and
performance. In the design category, points are achieved for the work that is done
before the competition itself event tough in the actual race, the execution is not as neatly
done. The most important part in the competition is the performance, and this part is the
one in which Cooper Union was lagging behind. This is due to the fact that even tough
Cooper’s designs could be very good, if after building the car, the team cannot go and
test it, it cannot make sure that everything is right. The main cause of this problem is the
localization of the university, being in Manhattan the tam had to travel long distances to
get to the nearest racetrack which requires a lot of organization in getting everyone to
go and even then, when something is discovered or something breaks if there is no way
to fix it on site, the team has to come back to the shop to fix it.
To solve this, the chassis dynamometer is the perfect answer. The team can now make
changes to the car from inside the building and this way make more points in both parts
of the competition, design and performance. One of the things that allowed the team to
make this is the fact that the laboratory is equipped with smoke extractors that can be
attached to the vehicles exhaust system to prevent the people from inside from dying of
intoxication.
A lot of emphasis is made in the management of time mostly because the members of
the team are students that have more things to worry about than Formula SAE. Also, the
more time there is to make a better car, the better the team will do in competitions thus
making the team more attractive for students to join. The more students that join, the
more things can be done in the same time and a better car will come as a result. This
process is a vicious cycle.
Another problem to solve is the lack of space inside the laboratory where the chassis
dyno is going to be placed and the dyno needing the extraction system, that laboratory
was the only placement possible. The problem was that the laboratory was already
being used by the students to make engine tests and as a painting room.
This problem was solved by separating the lifting table from the rollers and the absorber
and making the table mobile by installing casters on the underside.
METHODOLOGY
First, the design of the rollers was made followed by the design of the frame that would
hold them and the car that would be placed on top. Then, a FEA analysis was done to
make sure the structure would fail in the lifetime of the machine. Once this was done,
am absorber was chosen and the lifting table was designed. The next thing to do was the
design of the lifting table and its security and lifting systems. Last but not least the
frame for the absorber was designed once the amount of torque it would need to
withstand was known.
The construction process was as follows:
The first thing to be done was the frame for the rollers; the square tubes were cut, the
preparation was done for the welding and then it was welded together. The next part to
be made was he table, both top and base parts were made by cutting the tubes,
machining the holes in the milling machine and it was welded together. After this, the
pin system was machined with the lathe and the milling machine. Last but not least the
plates and the rollers were put in the CNC milling machine to fix the form they were
bought with. They needed to be make circular and cylindrical. This process needed to be
made in the CNC machine because of its higher accuracy. The better this was done, the
less balancing work needed to be done afterwards.
The final design has changed a couple of times since it was first done. For example, at
first it was thought that the rollers were going to have grooves in its exterior to improve
traction and make the experiment more accurate and safe, but then due to time
constraints and the lack of tools needed to make the job, the outer surface was thought
to have a non-slip paint layer. Another big change that was made to the design of the
roller frame. A mistake in the calculations of the width of the frame were made and that
made the wheels of the vehicle to hang out from the sides, so a tube was attached to one
of the sides of the frame and the bearing was changed to attach to it.
RESULTS
Right now there are many parts of the machine unfinished, the rollers have not been not
calibrated yet, the lifting mechanism has not been done yet and the frames have not
been bolted to the ground and installed properly. The absorber frame has not been
welded yet either.
Keeping this in mind, the final result has been satisfactory in the safety and repairability
department of the machine. Each part that can break has been designed to be easily
replaced and that when it breaks (if it ever breaks) that it doesn’t break the adjacent
parts. For example, the shaft coupler for the rollers has been designed to be a weak point
in case it breaks so that it can be then easily repaired or replaced. This happens also with
the connection between the roller shaft and the absorber, made of a chain or belt that is
very cheap and very easily replaceable. This is especially important due to the high cost
of the eddy current absorber.
In the security department, the lifting table has one handle for each student operating the
machine. These handles make a cables pull pins that get out of holes made in the posts
at the corners of the table which frees its vertical movement.
CONCLUSION
The chassis dynamometer is a device that will allow the university team to achieve
better results in the competition and at the same time will get more people to join the
team which, as previously stated, will reduce the time it takes to build the competition
car. A better use of the space will be achieved due to the fact that the table will also be
used (with some modifications) to teach class to the STEM program students during
summer.