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CARACTERIZACIÓN DE MASAS INERCIALES EN UN DINAMÓMETRO DE
CHASIS
González Oropeza R.(1), Hernández Anda J. L.(2), Vicente Rodríguez W.(3), García Puertos J. F.
Martínez J. P. (5)
(4)
Domínguez
Laboratorio de Control de Emisiones
Facultad de Ingeniería
Universidad Nacional Autónoma de México
Apartado Postal 70-258 México D. F. C.P. 04511
(1) [email protected], (2) [email protected] (3) [email protected]
(4) [email protected] (5) [email protected]
RESUMEN
Hoy en día, la tecnología de los vehículos no sólo contempla mejorar las prestaciones del motor y el confort de sus
ocupantes, sino disminuir el nivel de sus emisiones contaminantes. Incluso, si en una ciudad o región se tienen condiciones
críticas respecto a la calidad del aire, seguramente existirán normas que regulen los niveles de emisiones y métodos
específicos para medirlas en los vehículos que circulan por esa ciudad o región[12].
Tal es el tema de este trabajo, que se refiere a la caracterización de un dinamómetro de rodillos para vehículos
ligeros, o también llamado dinamómetro de chasis, el cual recientemente sufrió modificaciones para simular la inercia de los
vehículos que, montados en dicho dinamómetro, se les somete a un ciclo de manejo para simular las condiciones de
circulación por las calles de la ciudad y así, medir sus emisiones contaminantes y el consumo de combustible en
condiciones reales de manejo.
Se muestra la instrumentación con que cuenta el equipo, el sistema de volantes de inercia recientemente diseñado,
construido y acoplado al dinamómetro, así como los algoritmos que se introducen al software de dicho equipo para calcular
el par y potencia demandados al motor, de acuerdo a los ciclos de manejo, característicos de la Ciudad de México. En
general se comenta la metodología de cálculo y de medición, tanto de los niveles de los gases emitidos como del consumo
de combustible.
Palabras clave:
Dinamómetro de chasis o rodillos
Código 600
Fig. 1
c)
d)
a) Disposición de los rodillos, b) Dispositivos de control, c) Vista en planta, d) Conjunto
Introducción
Este dinamómetro se utiliza para realizar pruebas dinámicas en vehículos ligeros (no más de 3800 kg, ó 37,278 N de
peso bruto vehicular). El vehículo de prueba se coloca en los rodillos de acuerdo a su transmisión, delantera o trasera como
se muestra en las figuras 2(a) y 2(b) respectivamente[3].
Fig. 2(a) Tracción delantera
Fig. 2(b) Tracción trasera
Este dinamómetro ha sufrido cambios en su diseño original, de manera que ha ido adecuándose a las necesidades
técnicas que se van presentando, por ejemplo, lo mismo sirve para dar cumplimiento a las normas oficiales mexicanas,
como también para desempeñar actividades diversas de investigación que se realizan en el Laboratorio de Control de
Emisiones (LCE) de la Facultad de Ingeniería, de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM)[14].
Las actividades de este laboratorio son diversas, pero las que competen a este artículo son las experimentales, las
que se realizan para investigación y también aquellas que brindan servicios a particulares, empresas e instituciones que
desean evaluar dispositivos, productos o sistemas destinados a reducir el consumo de combustible y a reducir las emisiones
contaminantes de los vehículos que tienen un motor de combustión interna como medio de locomoción.
El método de prueba es semejante al descrito en la Norma Mexicana NMX-AA-11-1993-SCFI “Método de prueba
para la evaluación de emisiones de gases del escape de los vehículos automotores nuevos en planta que usan gasolina
como combustible”[3], que a su vez se apoya en el establecido por la Agencia de Protección al Medio Ambiente (EPA en
inglés) de los Estados Unidos de Norteamérica [4].
Tratando de resumir el procedimiento, se menciona lo siguiente:
• El vehículo de prueba se monta en los rodillos
• Se prueba el colchón neumático, para asegurarse que el vehículo no saldrá de los rodillos
• Se conectan los tensores a fin de que los neumáticos no tenga juegos inapropiados con los rodillos, mientras se
siguen los ciclos de manejo.
• Se conectan los sensores como el de la temperatura de aceite del motor (en la funda de la “bayoneta”), la pinza de
inducción o de otro tipo para medir el régimen de giro del motor (rpm), los cables provenientes del sistema de
medición de combustible y del analizador de gases.
• Se desarrolla la etapa de ensayos preliminares, en las que se sigue uno de los 5 ciclos de manejo de la Ciudad de
México (que ha desarrollado el LCE ) a efecto de corroborar el buen funcionamiento de todos los equipos y
alcanzar la temperatura de operación normal del motor, que indica el fabricante.
• Se inserta la sonda del analizador de gases en el tubo de escape y se verifica que todos los instrumentos de
medición estén operando correctamente.
• Se inician los ensayos formales, que consisten en seguir el ciclo de manejo que se haya planeado (Cd. De México,
FTP – 75, Europeo, Japonés, etc), 3 veces, con un descanso de 2 ó 3 minutos entre ellos.
• Durante cada ciclo, se miden segundo a segundo: velocidad del vehículo Cv, carga aplicada τ, consumo de
combustible mf, par motor Me, potencia específica Ne, régimen de giro del motor n, temperatura del aceite del
motor Ta y concentración de los gases: monóxido de carbono CO, bióxido de carbono CO2, hidrocarburos, óxidos
de nitrógeno NOx, oxígeno O2.
Un esquema general de la comunicación entre los diferentes sistemas y el dinamómetro se muestra en la Fig.3
Fig. 3
Instrumentación y comunicación con los equipos periféricos[9]
Como se podrá intuir fácilmente, el dinamómetro tiene diversas funciones o propósitos, tanto para simular las
condiciones reales de operación de los vehículos, como para, una vez instrumentados, medir los parámetros de interés de
alguna prueba en particular. Por tal motivo, es menester que también se simule la inercia del vehículo de prueba, que es el
objetivo principal de este trabajo.
Las figuras anteriores muestran las características físicas, de instrumentación y de control del dinamómetro, pero
en ellas también se aprecia la falta de las masas inerciales que estos equipos deben tener para simular la inercia de los
Fig. 4 (b) Perspectiva del dinamómetro completo
vehículos de prueba. Dicha inercia puede ser simulada mediante cargas
eléctricas, electro-magnética, volantes de inercia u otros arreglos. En
nuestro caso son volantes, como se muestra en la fig. 4 (a) y (b)
Fig. 4 (a) Acoplamiento de los volantes
Fig. 5 Vista en planta del arreglo de los volantes inerciales
La inercia de un vehículo esta íntimamente asociada a la masa de dicho vehículo, de manera que la forma de simular
dicha inercia es agregando al dinamómetro una carga equivalente al peso de dicho vehículo, y se calibra mediante un
método sencillo, llamado método de coast-down (cuesta abajo). Consiste en medir el tiempo que tarda un vehículo en
disminuir su velocidad de 70 a 60 km/h, si se encuentra dentro del rango de los vehículos ligeros, si se trata de camiones
ligeros, las velocidades de calibración son: de 88.5 a 72.4 km/h, y así con otras clases de vehículos[4].
Creemos pertinente mencionar en este trabajo que, independientemente de agregar la carga inercial al vehículo de
prueba, también se debe aplicar una carga de camino que se presenta con la fricción del aire y al rodar sobre el asfalto[7]
(ver ec. 1). Dicha carga, por ejemplo, es igual a 5.9 hp si se tiene el mínimo peso, no más de 511 kg (5013 N) o bien de 14.4
hp, si el vehículo pesa hasta 2727 kg (26,752 N). Dicha carga se proporciona con el freno de corrientes parásitas que tiene
el equipo[3].
Nc = (CRMvg + 1/2ρaCDAVSv2) SV
ec (1)
Donde:
Nc
Potencia de la carga de camino
CR
Coeficiente de resistencia al rodamiento (0.012 < CR < 0.015)3
MV
Masa del vehículo
Aceleración local de la gravedad 9.81 m/s2
ρa
densidad del aire en condiciones ambientales 1.2 kg/m3
CD
Coeficiente de arrastre
SV
velocidad del vehículo.
En las unidades de S.I. que normalmente se usan
Nc (kW) = [2.73 CRMv (kg) + 0.126 CDAV (m 2 ) Sv (km/h)2 ] SV (km/h) x 10 -3
ec (2)
Regresando al tema principal de este trabajo, diremos que se calcularon la inercia de cada uno de los volantes, junto con
todas las piezas del arreglo (rodillos, flechas, chumaceras, coples, embragues, etc) y hemos estimado el o los volates que
deben acoplarse a los rodillos de acuerdo al peso de los vehículos. Para ello se tienen embragues neumáticos, operados de
forma individual, como se muestra en la fig. 6
ARREGLO
Tres volantes de distinto momento de inercia han sido
instalados al dinamómetro de chasis con el fin de simular la
inercia del vehículo durante la prueba. Los volantes han sido
acoplados a uno de los rodillos mediante una flecha motriz, la cual
transmite el movimiento mediante dos poleas y cuatro bandas a un
embrague neumático montado en el eje de cada volante inercial,
Fig.4(a).
El embrague neumático se acciona manualmente
mediante una válvula montada en el tablero de control, la cual le
suministra aire a presión al cilindro del embrague, el cual¸a su vez
presiona el disco de fricción y hace girar al volante (Fig. 5). De
esta forma, se pueden acoplar fácilmente al rodillo principal, cada
uno de los volantes para hacer las combinaciones requeridas
durante las pruebas.
CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS MECÁNICOS
Las características principales de los elementos mecánicos
acoplados al dinamómetro se muestran en la Tabla 1. En dicha
tabla se condensan los cálculos realizados[1,2] para conocer el par
de torsión y los elementos mecánicos necesarios para moverlos,
para ello fue necesario especificar la aceleración angular con la
que estos elementos se mueven y poder aplicar la ecuación de la
inercia (ec. 3)
Fig.6 Válvulas neumáticas para embragar los volantes
Fig.7 Embrague neumático[10]
Tabla 1. Características principales de los volantes de inercia y sus elementos de acoplamiento
ELEMENTO
MASA kg
Volante Izquierdo
m1
Volante central
m2
RADIO DE
GIRO m
90.659 r1
0.27
71.757 r2
0.27
Volante derecho
m3
33.779
r3
Flecha del volante
mfv
8.7509
Embrague con polea
mc
Flecha motriz
mfp
Polea motriz
Cople
Rodillo
PAU
INERCIA
2
kg-m
I1
3.38
I2
2.675
0.23
I3
0.883
rfv
0.03
Ifv
0.003
33.603
rc
0.10
Ic
0.173
43.93
rfp
0.03
Ifp
0.022
mpol 1.7502
mcop 9.976
rpol
0.08
Ipol
0.005
rcop
0.06
Icop
0.02
mrod 204.77 rrod
mPAU 85.759 rPAU
0.15
Irod
2.378
0.26
IPAU 2.946
T = Iα
ec.(3)
Donde Τ es el par generado por la masa m al cambiar su velocidad angular ω durante un lapso de tiempo
α=
dω
dt
ec.(4)
Hoy en día, es común conocer algunos parámetros de las prestaciones de los vehículos que las compañías automotrices
sacan a la venta, y uno de estos parámetros es el tiempo que tarda un automóvil en alcanzar los 100 km/h, partiendo del
reposo, (su aceleración) y es claro que, en la medida de su inercia, se requerirá mayor o menor potencia para alcanzar la
velocidad objetivo. Esto es lo que hemos utilizado para estimar la máxima potencia que se trasmite a través de las bandas
que acoplan a la flecha con los volantes, y de esta manera estar seguros que nuestra instalación es segura y que se trasmite la
potencia que se requiere.
Cálculo de la potencia
La potencia se calcula mediante la ec. (5)
HP =
Tω
745.7
ec.(5)
para T en newtons-metro (N-m) y ω en s-1, el factor 745.7 convierte N-m/s (watts) a hp.
La velocidad angular ω1 que alcanzan los rodillos cuando el automóvil llega a v= 100 km/h se calcula mediante la ecuación
(6)
ω1 =
v
ec.(6)
rrod
y usando los datos de la Tabla 1 puede verse que
ω1 = 1751 rpm
o bien
ω1 = 183.33 s-1
La flecha de cada uno de los volantes se hace girar mediante dos poleas con una relación de reducción
R=
rpol
rc
= 0.75
ec.(7)
De tal forma que la velocidad angular ω2 con la que se mueven los volantes es
ω2 = Rω1 = 1313 rpm
o bien
ω2 = 137.5 s-1
Teniendo las velocidades de las flechas motriz y de los volantes, se pueden calcular los pares de torsión y la potencia
necesaria para mover los elementos mecánicos del conjunto de volantes inerciales, los resultados se muestran en la Tabla 2
Tabla 2: Par y potencia necesarios para mover el conjunto de elementos mecánicos de los volantes de inercia, de 0 a 100
km/h en 4 segundos[1,2]
ELEMENTO
Volante Izquierdo
m1
Volante central
m2
RADIO DE
GIRO m
90.659 r1
0.27
71.757 r2
0.27
Volante derecho
m3
33.779
r3
Flecha del volante
mfv
8.7509
rfv
Embrague con polea
mc
33.603
rc
Flecha motriz
mfp
43.93
rfp
Polea motriz
mpol 1.7502
mcop 9.976
Cople
Rodillo
PAU
MASA kg
INERCIA
2
kg-m
Vel. final
km/h
tiempo
Vel. Rod Acel Rod Vel. Volante Acel. Vol TORQUE POTENCIA
-1
-1
-2
-2
α1 s
ω2 s
α2 s
segundos ω1 s
N-m
HP
I1
3.38
100
4
137.5
34.375
116.174
21.42
I2
2.675
100
4
137.5
34.375
91.953
16.96
0.23
I3
0.883
100
4
137.5
34.375
30.339
5.59
0.03
Ifv
0.003
100
4
137.5
34.375
0.120
0.02
0.10
Ic
0.173
100
4
137.5
34.375
5.962
1.10
0.03
Ifp
0.022
100
4
183.33
45.83
1.015
0.25
rpol
0.08
Ipol
0.005
100
4
183.33
45.83
0.233
0.06
rcop
0.06
Icop
0.02
100
4
183.33
45.83
0.922
0.23
mrod 204.77 rrod
mPAU 85.759 rPAU
0.15
Irod 2.378
IPAU 2.946
100
4
183.33
45.83
108.991
26.80
100
4
183.33
45.83
135.038
33.20
0.26
Potencia necesaria para mover el conjunto de volantes (ver Fig. 5)
Cada volante necesita, para poder girar, los siguientes elementos : flecha del volante, embrague con polea y volante
A su vez el conjunto motriz tiene los siguientes elementos: flecha motriz, tres poleas motrices, dos rodillos, dos
coples y la unidad de absorción de potencia, por sus siglas en inglés PAU.
La capacidad de transmisión de potencia por cada una de las bandas de la transmisión para una relación 6:8 es1:
HP
= 7.37 @ 1750 rpm
banda
ec.(8)
El resumen de todos estos cálculos se muestra en la tabla 3:
Tabla 3. Resumen de par y potencia requeridos
ELEMENTO
Conjunto Volante Izquierdo
TORQUE
N-m
POTENCIA
HP
122.26
22.54
Conjunto Volante central
98.03
18.08
Conjunto Volante derecho
36.42
6.72
Conjunto Motriz
356.58
87.67
Maximo
613.29
135.00
De tal forma que la potencia máxima que pueden transmitir las cuatro bandas es
HPmax =
HP
* 4 = 29.48
banda
ec.(9)
El par de torsión que puede soportar el embrague se muestra en la Fig. 8[10].
PAR ESTÁTICO DE TORSIÓN EN N-m
H - 1000
320
280
240
200
160
120
80
40
0
70
140 210 280 350 420 490 560
PRESION DEL AIRE EN MPa
Fig.8 Par de torsión del embrague neumático
La potencia que pueden soportar las bandas, ecuación (10), es mayor a la que puede desarrollar un auto normal según la
Tabla 2, pues la potencia requerida es de 21.42 HP.
El par que transmite el embrague, Tabla 2, es mucho menor que el máximo permisible de la Fig.3, porque 116< 300x0.85,
ya que según el fabricante, el par dinámico que puede soportar el embrague es el 85 % del mostrado en la Fig. 3.
CONCLUSIONES Y COMENTARIOS
1.
Un equipo de estas características permite simular las situaciones que se pudieran presentar en cuanto a la carga de un
vehículo en la carretera, evitando así tener que elaborar recorridos físicos y permitiendo un análisis verídico de las
condiciones de operación.
2.
El dinamómetro de chasis cumple con las funciones de un equipo para ensayos de vehículos, midiendo las variables de
interés, asegurando la correcta adquisición de datos, permitiendo obtener un instrumentó de medición confiable preciso
y fácil de manejar, que tiene la ventaja de haber sido desarrollado por este equipo de trabajo y no depender de una
tecnología extranjera
3.
Las mejoras efectuadas han dado pie a tener un equipo más poderoso, facilitado al usuario la tarea de evaluar vehículos
(servicios) y desarrollar investigación en este campo del conocimiento. Además, ya puede homologarse este equipo
para que las mediciones realizadas tengan validez internacional.
4.
Contemplado una visión a futuro, el software y hardware de desarrollo permite escalar el equipo, modernizándolo
permanentemente para dar satisfacción a nuevos protocolos de ensayos.
5.
Los resultados de estos estudios serán útiles en la investigación y desarrollo para la homologación y certificación a
prototipos y/o modelos de vehículos, analizando los componentes contaminantes de las emisiones y sus prestaciones
bajo determinado ciclo de trabajo.
6.
En la docencia permite ensayar y efectuar las mediciones correspondientes en funcionamiento real, lo que ha dado
como resultado el conocimiento del instrumento de manera práctica y teórica.
BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA:
1.
2
3
4
5
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8
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