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Construcción de vehículos I
Cálculo del motor de un vehículo automotriz
Ing. HUGO L. AGUERO ALVA
El diseñador debe tener en cuenta las siguientes variables
cuando diseña un motor.
-Especificaciones de desempeño del vehículo
-Esfuerzos a que está sometido
-Materiales a emplear
-Procesos de fabricación
-Control de calidad
-Velocidad máxima
-Capacidad de Máxima pendiente
-Autonomía
-Peso bruto vehicular (Peso seco + carga)
Ing. HUGO L. AGUERO ALVA
El motor debe ser capaz de entregar la potencia necesaria
para que el vehículo pueda cumplir, como mínimo, con las
especificaciones de desempeño, proyectadas.
-Euro 4 y Euro 5 (Emisiones contaminantes)
-Euro NCAP, NHTSA (Pruebas de seguridad)
-SAE, ISO (Materiales)
-ASTM (Ensayo de materiales)
Ing. HUGO L. AGUERO ALVA
Normas relacionadas a la fabricación de vehículos
Normas
La dinámica de un vehículo
Para cumplir con las prestaciones del conjunto motriz de un
vehículo, se requiere el cálculo previo de las resistencias
posibles que se le van a oponer en su avance en cualquier
situación.
Las resistencias son las siguientes, que pueden o no coexistir al mismo tiempo:
, Resistencia por rodadura
, Resistencia por pendiente
, Resistencia por el aire
, Resistencia por inercia
r
p
a
j
R
R
R
R
La fuerza motriz en el vehículo que llega al eje de la rueda,
debe ser capaz de vencer a todas las fuerzas que originan
las resistencias que se presentan en forma simultánea.
. .
, 0,80......0,85
r m tr mN F v N N N
Las fuerzas que se oponen al movimiento del
vehículo está dado por:
;
, Resistencia por rodadura
, Resistencia por pendiente
, Resistencia por el aire
, Resistencia por inercia
Entonces:
T r p a ii
r
p
a
j
T
R R R R R R
donde
R
R
R
R
F R
La resistencia a la rodadura
Tiene su origen en la deformación del neumático y el suelo.
La resistencia por rodadura es independiente de que la rueda sea portadora (soporta peso)
o motriz (soporta peso y transmite par motor).
El valor del coeficiente de resistencia a la rodadura es fijado por el fabricante de neumaticos
para una carga "P" y presión determinada.
rR
Tomando momentos con respecto a "o":
. .
En terreno plano:
. .
En terreno inclinado: cos
. cos . cos . .
, coeficiente de resistencia a la rodadura
r
r
r r
N d R r
N P
d dR N P
r r
N P
d d d dR N P R N P
r r r r
df
r
1. Rueda portante
Tomando momentos con respecto a "o">
( ). . . ;
En terreno plano:
. .
En terreno inclinado: cos
. cos . cos
r
r
r
F R r N d F r
N P
d dR N P
r r
N P
d dR N P
r r
2. Rueda portante y motriz
VALORES CARACTERÍSTICOS DEL COEFICIENTE A LA RODADURA (f)
FIRME f Neumáticos de turismos sobre: Adoquines grandes y pequeños 0,013 Hormigón, asfalto 0,011 Camino de tierra 0,05 Suelo arado 0,1 a 0,35 Neumáticos de vehículos industriales sobre: Hormigón, asfalto 0,006 a 0,01 Ruedas todo terreno sobre: Suelo arado y arena 0,14 a 0,24 Tractor oruga sobre: Suelo arado 0,07 a 0,12
Rueda sobre carril 0,001 a
0,002 Ref: Bosh: Manual de la técnica del automóvil.4ta Edición
Determinación de las relaciones de
velocidad Potencia absorbida por la resistencia a la rodadura,
según la fórmula de Andreu
La resistencia debida a la pendiente
donde:
Para pendientes pequenos el sen y tg resultan =s
.
, altura en m
l, longitud = 100 m
p
p
R Psen
hR P
L
h
pR
La resistencia por inercia
2 1
1
2
2 2
Se origina por incremento de la velocidad del vehículo.
..
donde:
, masa del vehículo
, aceleración del vehículo =
, velocidad inicial
, velocidad final
, tiempo de pasar de a
Con
j
P jR M j
g
M
V Vj
t
V
V
t V V
2 P en toneladas y tomando para g el valor de 10m/s
1000. .100. . , en kg
10j
P jR P j
jR
La resistencia debida al aire
De todas las resistencias que se oponen a la marcha de un
vehículo, la resistencia debida al aire es la más estudiada, no
solo porque tiene que ver con el consumo de combustible sino
que también porque tiene que ver con la estética.
Para el cálculo de la resistencia debida al aire se emplean
fórmulas empíricas obtenidas de ensayos en túneles de
viento.
Intervienen: carrocería, presión, temperatura, sección
transversal máxima del vehículo y fundamentalmente la
velocidad.
aR
Tiene su fundamento técnico en la siguiente Ley de Newton:
“La resistencia ejercida por el aire sobre un cuerpo en
movimiento es proporcional a la masa volumétrica del aire que
desplaza, a la superficie frontal del cuerpo y al cuadrado de la
velocidad de avance”
La resistencia al aire puede admitir tres componentes:
-Componente longitudinal, que se opone al avance
-Componente transversal, originada por el viento que se
mueve en dirección no paralela al vehículo.
-Componente vertical o empuje, que puede estar dirigida
hacia arriba o hacia abajo, según la forma de la carrocería.
Para calcular esta resistencia se asume que el vehículo se
desplaza en aire en calma, es decir los componentes
transversales y verticales se desprecian.
La masa del aire (m) es
. . .......................(1)
donde:
, área de la superficie frontal del móvil
, densidad del aire
, velocidad del móvil
La energía cinética que lleva el móvil será:
1.
2
m S v
S
v
W m
2
3
. ....................(2)
Reemplazamos (1) en (2):
1. . . ....................(3)
2
v
W S v
2
3
Habrá que afectar de un coeficiente de forma Cx
1De (2) . . . . ....................(4)
2
1Siendo: 1,225 kg/m a 15o C y 76 cm de Hg, es aprox:
2 1,6
Resulta que la energía cinética o potencia qu
xW C S v
3
2
e consume la resistencia del aire:
. . ....................(5) 16
La fuerza necesaria para producir esta potencia es: W/v
Entonces la resistencia aal aire es:
. . ....................(6) 16
xa
xa
CW N S v
CR S v
S
2, en m , v en m/s, Ra, resulta en kgs
VALORES CARACTERÍSTICOS DEL COEFICIENTE DE FORMA (Cx)
TIPO DE VEHICULO Cx
Autos turismos
Cabriolet 0,33 - 0,50
Todo terreno 0,35 - 0,50
Sedan 0,26 -0,35
Station wagon 0,30 -0,34
Forma aerodinámica 0,15 - 0,20
Motocicletas 0,6 - 0,7
Camiones 0,8 - 1,5
Autobuses 0,6 a 0,7
Autobuses en forma aerodinámica 0,3 a 0,4
Ref: Bosh: Manual de la técnica del automóvil.4ta Edición
La superficie frontal del vehículo se calcula con la siguiente fórmula:
S 0,8. .
Donde:
, es el ancho de la sección
, es la altura
l h
l
h
Dimensionamiento del motor
La potencia que entrega el motor al sistema de transmisión,
debe permitir vencer las potencias que originan las fuerzas que
se oponen al avance del vehículo.
.rm i
NN R v
Curva de utilización
Determinación de las relaciones de
velocidad Resistencia al avance: diagrama de Resistencias VS velocidad
Curva de potencia
Determinación de las relaciones de
velocidad Curva de utilización de un vehículo en toma directa
(E, excedente de potencia en horizontal)
