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

3

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.

6

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.

8

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

12

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

15

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

16

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

17

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.

23

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.

25

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

27

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

28

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

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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