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RAE
1. TIPO DE DOCUMENTO: Trabajo de grado para optar por el título de INGENIERO
AERONÁUTICO
2. TÍTULO: DISEÑO Y SELECCIÓN DEL SISTEMA DE PROPULSIÓN PARA UN
VEHÍCULO URBANO APLICADO A LA COMPETENCIA ECO SHELL MARATHON
3. AUTOR (ES): Diego Fernando Cortés Ruiz y Samy Walid Mustafá Prieto
4. LUGAR: Bogotá, D.C
5. FECHA: Junio de 2014
6. PALABRAS CLAVES: Alternado, batería, controlador de velocidad, energía, motor,
moto hibrido, motor recíproco, propulsión, rendimiento, supe capacitor
7. DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO. Diseño y selección de componentes para la planta
motriz del vehículo urbano aplicado a la competencia Eco Shell Marathon, la cual estará
compuesta por un motor de combustión interna para aportar la carga a una serie de súper
capacitores y de esta manera suministrar la energía al motor eléctrico que tiene como fin
brindar la propulsión de dicho vehículo.
8. LÍNEA DE INVESTIGACIÓN: Línea de Investigación de la USB: Energía y Vehículos. Sub
línea de Facultad de Ingeniería: sistemas de propulsión. Campo temático del programa: motores
híbridos
9. METODOLOGÍA: Enfoque de carácter EMPÍRICO – ANALÍTICO debido a que la
investigación es más de tipo técnico y la interpretación del fenómeno a estudiar es basada en
ciertos sistemas que combinan física, química y mecánica.
10. CONCLUSIONES: De acuerdo a los cálculos y selecciones realizadas; la mejor
aproximación inicial del motor hibrido encontrada en el mercado, consta de los siguientes
elementos: (2 Chumaceras UCP 208-24 de 1½” Interno, Eje Macizo de Acero AISI 4140 de
1½” con 0.8m de largo, Plato de 1½” interno con 44 dientes, Cadena Británica Número 40
ref. 08B con paso de ½”, Motor Eléctrico Rotomax 80CC, Controlador de Velocidad
Turnigy Dlux 250A HV 14s 60v ESC, Ultracapacitor 16V Maxwell Large Module,
Alternador Bosch Mitsubishi 98A 12V, Piñones de 1.5 cm interno con 11 dientes, Cadena
Británica Número 16 ref. 08B con paso de ½”, Motor Pistón Gas Bike Storm 49CC, Exosto
de Acero Inoxidable y Tanque de Combustible de Acero de Baja Densidad).
1
DISEÑO Y SELECCIÓN DEL SISTEMA DE PROPULSIÓN DE UN VEHÍCULO
URBANO APLICADO A LA COMPETENCIA ECO SHELL MARATHON
DIEGO FERNANDO CORTÉS RUIZ
SAMY WALID MUSTAFÁ PRIETO
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA
FACULTAD INGENIERÍA
INGENIERÍA AERONÁUTICA
BOGOTÁ
2014
2
DISEÑO Y SELECCIÓN DEL SISTEMA DE PROPULSIÓN DE UN VEHÍCULO
URBANO APLICADO A LA COMPETENCIA ECO SHELL MARATHON
DIEGO FERNANDO CORTÉS RUIZ
CÓDIGO 20093231048
SAMY WALID MUSTAFÁ PRIETO
CÓDIGO 20093231035
Tesis de Grado
PhD. Msc. Ing. Rafael Mauricio Cerpa Bernal
Asesor de Proyecto
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA
FACULTAD INGENIERÍA
INGENIERÍA AERONÁUTICA
BOGOTÁ
2014
3
Nota de aceptación:
Firma del presidente del jurado
Firma del jurado
Firma del jurado
Bogotá D.C (23, 05, 2014)
4
DEDICATORIAS
La culminación de este proyecto y todo lo que está arraigado a él, es sencillamente la manera
de demostrarnos a nosotros mismos, que todas las investigaciones, los sacrificios, las
alegrías, las decepciones y demás elementos influyentes, valieron la pena. Porque con este
proyecto simple y llanamente, se demuestran capacidades adquiridas en el transcurso de
nuestra carrera profesional.
Por lo anterior, dedico este trabajo de investigación a las personas que me brindaron su apoyo
y cariño para llegar hasta este punto; punto en el que se concluye una primera etapa de
búsqueda de conocimientos y donde se culmina una primera etapa de sacrificios. Personas
como lo son mi padre Herbert Yamid Cortés y mi madre Sandra Milena Ruiz, sin dejar de
lado mis familiares y personas más cercanas.
En un segundo plano, esto es una dedicación a mi carrera, al amor que siento por la aviación
y al orgullo que sentiré al decir que soy Ingeniero Aeronáutico. Aunque el aporte es mínimo
en comparación a lo que han hecho grandes personajes de la historia por la aviación, me
siento orgulloso, porque el día que se implanten tecnologías como las usadas en este proyecto
al ámbito aeroespacial, este tendrá un avance incontenible y más tranquilo aún, porque
entiendo que se deja un granito de arena, el cuál espero algún día aporte al bien y crecimiento
de esta gran pasión.
Diego Fernando Cortés Ruiz
5
AGRADECIMIENTOS
Le agradezco a Dios y a la forma en que creo en él, por brindarme la oportunidad, la
fortaleza y las capacidades que me llevaron a culminar mis metas hasta el día de hoy
y lo más importante sin desfallecer.
Por otro lado, infinitos agradecimientos a mis padres por siempre creer en mí y
brindarme el apoyo que he recibido. Porque sé que son muchos los obstáculos a los
que se han sobrepuesto y todo con el simple fin de verme feliz.
A aquellos familiares y personas cercanas, agradecimiento por su educación no
académica, sino educación simplemente dedicada a enseñanzas para el alma, para el
corazón y para la personalidad. Por todos sus consejos, regaños en su momento,
alegrías junto a ustedes y cariño brindado.
Agradecimientos a mis compañeros y amigos, porque con todas y cada una de
nuestras fortalezas y/o debilidades, nos hacíamos más ameno el transcurso de esta
etapa universitaria, por las risas y rabias generadas, simplemente por todo.
Maestros Ingenieros, que más que ingenieros, fueron personas que dedicaron su
tiempo a instruirnos a todos y cada uno de nosotros, para llegar a ser profesionales en
el ámbito ingenieril. En especial al tutor Rafael Cerpa Bernal.
Diego Fernando Cortés Ruiz
6
DEDICATORIAS
A Dios.
A mi madre, quien en cuyo diario vivir me ha demostrado que el camino hacia las metas
trazadas necesita de constancia y sacrificios, por su apoyo incondicional en todos y cada
uno de los momentos de este ciclo, mi vida.
A mi padre, quien me enseño que la responsabilidad se debe afrontar como un compromiso
que a futuro mostrara grandes frutos, por su apoyo incondicional en todos y cada uno de
los momentos de este ciclo, mi vida.
Samy W. Mustafá Prieto.
7
AGRADECIMIENTOS
A Dios, por darme la vida.
Agradezco a mis padres por el apoyo moral que me brindaron en todos los momentos en
los que intente decaer.
A los docentes por sus conocimientos compartidos, por los consejos brindados y más que
eso su amistad.
Agradezco a todos mis compañeros de carrera que con el diario vivir hicieron más amena
esta etapa de vida.
Samy W. Mustafá Prieto.
8
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................18
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ..................................................................................19
1.1 ANTECEDENTES ............................................................................................................19
1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ................................................19
1.3 JUSTIFICACIÓN ..............................................................................................................20
1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN ..........................................................................20
1.4.1 Objetivo General ................................................................................................... 20
1.4.2 Objetivos Específicos ............................................................................................ 20
1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO ......................................................21
2. MARCO DE REFERENCIA .....................................................................................................23
2.1 MARCO NORMATIVO....................................................................................................23
2.2 MARCO TEÓRICO ...........................................................................................................24
2.2.1 Transmisión de potencia ....................................................................................... 25
2.2.2 Motor eléctrico ...................................................................................................... 32
2.2.3 Súper capacitores .................................................................................................. 38
2.2.4 Alternador ............................................................................................................. 42
2.2.5 Motor de combustión interna ................................................................................ 46
2.2.6 Componentes secundarios ..................................................................................... 55
3. METODOLOGÍA ......................................................................................................................59
3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN ............................................................................59
3.2 LÍNEA DE FACULTAD / CAMPO TEMÁTICO DEL PROGRAMA ............................59
3.3 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN .................................................59
3.4 PROCESO A SEGUIR ......................................................................................................59
3.5 ALTERNATIVA DE SOLUCIÓN ....................................................................................60
3.6 VARIABLES .....................................................................................................................60
3.6.1 Variables independientes ...................................................................................... 60
3.6.2 Variables dependientes ......................................................................................... 61
4. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES .....................................................................................62
5. DESARROLLO INGENIERIL..................................................................................................66
5.1 LÍNEA BASE ....................................................................................................................66
5.1.1 Vehículo ................................................................................................................ 66
9
5.1.2 Planta motriz ......................................................................................................... 69
5.2 PARÁMETROS Y REQUERIMIENTOS INICIALES DE LA PLANTA MOTRIZ. ......71
5.2.1 Torque ................................................................................................................... 71
5.2.2 Potencia ................................................................................................................. 74
5.3 EJE DE TRACCIÓN .........................................................................................................74
5.4 TRANSMISIÓN DE POTENCIA .....................................................................................81
5.5 MOTOR ELÉCTRICO ......................................................................................................85
5.5.1 Controlador de velocidad ...................................................................................... 89
5.6 SÚPER CAPACITORES ...................................................................................................90
5.6.1 Tiempo de descarga .............................................................................................. 93
5.7 ALTERNADOR ................................................................................................................94
5.7.1 Energía generada con rpm suministradas y torque para alcanzarlas ..................... 94
5.7.2 Opciones y características de alternadores ............................................................ 95
5.7.3 Tiempo de carga .................................................................................................... 99
5.8 MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA .......................................................................100
5.8.1 Opciones y características de motores a pistón ................................................... 100
5.9 COMPONENTES SECUNDARIOS ...............................................................................102
5.9.1 Aplicación del motor de arranque a la planta motriz .......................................................102
5.9.2 Sistema de suministro y almacenamiento de combustible .................................. 104
5.9.3 Sistema de escape................................................................................................ 106
5.9.4 Sellos y/o acoples al motor pistón ....................................................................... 106
5.10 CONSUMO DE COMBUSTIBLE ..................................................................................107
5.11 PESO DE LA PLANTA MOTRIZ ..................................................................................108
5.12 DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADOR ..................................................................110
5.12.1 Chumacera .......................................................................................................... 110
5.12.2 Eje ....................................................................................................................... 110
5.12.3 Rueda dentada para el eje de tracción ................................................................. 110
5.12.4 Cadena de transmisión de potencia entre motor eléctrico y eje de tracción ........ 110
5.12.5 Rueda dentada para el eje del motor eléctrico .................................................... 111
5.12.6 Motor eléctrico .................................................................................................... 111
5.12.7 Controlador de velocidad .................................................................................... 111
5.12.8 Ultracapacitor ...................................................................................................... 111
10
5.12.9 Alternador ........................................................................................................... 112
5.12.10 Piñón para el eje del alternador y para el eje del motor de combustión interna .. 112
5.12.11 Cadena de transmisión de potencia entre motor de combustión interna y
alternador….….….……………………………………………………………………………………………..112
5.12.12 Motor recíproco de combustión interna .............................................................. 112
5.12.13 Soporte del motor eléctrico ................................................................................. 113
5.12.14 Soporte del alternador ......................................................................................... 113
5.12.15 Soporte del motor de combustión interna ........................................................... 113
5.12.16 Soporte para el tanque de combustible ................................................................ 113
5.12.17 Tanque de combustible ....................................................................................... 114
5.12.18 Manguera de alimentación de combustible ......................................................... 114
5.12.19 Sello y/o acople del sistema de escape ................................................................ 114
5.12.20 Exosto ................................................................................................................. 114
5.13 ANÁLISIS DE COSTOS .................................................................................................115
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .......................................................................119
BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................122
11
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Motores en electrónica……..…………………………………………………….. 36
Tabla 2. Listado de actividades....………………………………………….……………… 64
Tabla 3. Coeficientes de fricción estático y dinámico…………………………………….. 72
Tabla 4. Torque mecánico...…….…………………………………….…………………… 73
Tabla 5. Valores de potencia calculados…………………………………………………… 74
Tabla 6. Constantes de diseño para el cálculo del eje……………………………………… 78
Tabla 7. Determinación de factor a y exponente b…...…………………………………… 80
Tabla 8. Ventajas vs desventajas de correas…….………………………………………… 82
Tabla 9. Ventajas vs desventajas de cadenas....…………………………………………… 83
Tabla 10. Nomenclatura y tipos de piñones...……………………………………………… 83
Tabla 11. Listado de motores eléctricos y sus características asociadas…..……………… 88
Tabla 12. Controlador de velocidad y sus características asociadas….…………………… 90
Tabla 13. Listado de ultracapacitores y sus características asociadas.....…………………. 92
Tabla 14. Listado de alternadores y sus características asociadas…....…………………… 98
Tabla 15. Listado de motores recíprocos y sus características asociadas….....…………… 101
Tabla 16. Características del motor de arranque seleccionado….……………………….. 103
Tabla 17. Masas y pesos de todos los componentes de la planta motriz………………… 109
Tabla 18. Componentes de la planta motriz en CAD.…………………………………… 114
Tabla 19. Análisis de costos de la construcción de la planta motriz……………………… 118
Tabla 20. Reducción del peso máximo del vehículo y re-cálculo de consumo de
combustible……………………………………………………………………………… 121
12
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Transmisión de potencia con correa…………………………………………...… 26
Figura 2. Transmisión de potencia con cadena…...……………………………………..… 26
Figura 3. Transmisión por engranajes…………….……………………………………..… 27
Figura 4. Transmisión por junta universal….…….……………………………………..… 27
Figura 5. Correa plana…………………………….……………………………………….. 28
Figura 6. Correa trapezoidal........………………………………………………………..… 28
Figura 7. Correa dentada….…………………………………………………………..…… 29
Figura 8. Engranajes cilíndricos......……………………………………………..………… 30
Figura 9. Engranajes cónicos…..…….…………….……………………………………… 30
Figura 10. Engranajes interiores...………………………………………………………… 30
Figura 11. Engranajes exteriores.......……………………………………………………… 31
Figura 12. Engranajes rectos….…………………………………………………………… 31
Figura 13. Engranajes helicoidales...……………………………………………………… 32
Figura 14. Motor serie......…….…………………………………………………………… 34
Figura 15. Motor compuesto….…………………………………………………………… 34
Figura 16. Motor shunt….…….…………………………………………………………… 35
Figura 17. Motor sin escobillas….………………………………………………………… 35
Figura 18. Motor paso a paso….…………………………………………………...……… 36
Figura 19. Servomotor….………………………………………………….……..….….… 36
Figura 20. Motor sin núcleo….………………………………………………….………… 36
Figura 21. Motor universal...….…………………………………………………………… 37
Figura 22. Motor de jaula de ardilla…..…………………………………………………… 37
Figura 23. Motor asíncrono.......…………………………………………………………… 38
Figura 24. Motor síncrono………………………………………………………………… 38
Figura 25. Súper capacitor....……………………………………………………………… 39
Figura 26. Automóvil híbrido...…………………………………………………………… 41
Figura 27. Esquema interno del capacitor………………………………………………… 42
Figura 28. Funcionamiento del alternador...………………………………………………. 43
Figura 29. Componentes del alternador...…………………………………………………. 44
Figura 30. Motor de combustión interna Audi RS - V10…..……………………………… 47
Figura 31. Representación ciclo térmico (Otto)…………………………………………… 49
Figura 32. Representación ciclo térmico (Diésel)…………………………………….…… 50
Figura 33. Disposición de cilindros/pistones en V...……………………………………… 50
Figura 34. Disposición de cilindros/pistones en línea….………..………………………… 51
Figura 35. Disposición de cilindros/pistones en forma radial……………………………… 51
Figura 36. Disposición de cilindros/pistones en forma rotativa…....……………………… 52
13
Figura 37. Disposición de cilindros/pistones en oposición…..….………………………… 52
Figura 38. Funcionamiento de motores de 2T……...……………………………………… 53
Figura 39. Funcionamiento de motores de 4T……..……………………………………… 54
Figura 40. Partes del motor de arranque...………………………………………………… 56
Figura 41. Tubo de escape……………………………………………………………..….. 57
Figura 42. Colector de escape de 6 cilindros…………………………………………..….. 57
Figura 43. Diagrama de Gantt para las actividades....……………………………….…..… 65
Figura 44. Isométrico del diseño base….………………………………………….…….… 66
Figura 45. Isométrico del diseño preliminar...……………………………….……….…… 68
Figura 46. Dimensiones del vehículo......……………….………….……………………… 68
Figura 47. Volumen de control de la planta motriz………………………………….….… 69
Figura 48. Mapa conceptual de explicación de cálculos.....……………………………..… 71
Figura 49. Diagrama de cuerpo libre del vehículo….……………………………………… 71
Figura 50. Diagrama de cuerpo libre del eje de tracción del vehículo...……………….….. 75
Figura 51. Diagrama de fuerza cortante en el eje………………….……………….……… 77
Figura 52. Diagrama de momento flector en el eje………………………………………… 78
Figura 53. Determinación de 𝐾𝑡𝑠……..…………………………………………………… 79
Figura 54. Determinación de 𝐾𝑡…………………………………………………………… 79
Figura 55. Motor turnigy rotomax 50 cc…...……………………………………………… 85
Figura 56. Motor turnigy rotomax 80 cc…...……………………………………………… 86
Figura 57. Motor turnigy rotomax 100 cc……..…………………………………………… 86
Figura 58. Motor turnigy rotomax 150 cc………..………………………………………… 86
Figura 59. Electric turbine hacker A50-14L…..…………………………………………… 87
Figura 60. Motor hacker A80-8…….……………………………………………………… 87
Figura 61. Motor hacker A100-10….……………………………………………………… 87
Figura 62. Motor hacker Q80-8M.………………………………………………………… 88
Figura 63. Diagrama comparativo de motores eléctricos…..……………………………… 89
Figura 64. Controlador de velocidad turnigy dlux HV ESC.……………………………… 90
Figura 65. PC10 series......………………………………………………………………… 91
Figura 66. K2 series......…………………………………………………………………… 91
Figura 67. 16 volt small module.......……………………………………………………… 91
Figura 68. 16 volt large module…....……………………………………………………… 92
Figura 69. 48 volt module….……………………………………………………………… 92
Figura 70. Diagrama comparativo de ultracapacitores.....………………………………… 93
Figura 71. Curva de prestaciones del alternador...……………………………………….… 95
Figura 72. Alternador hitachi (242-0002)....………………………………………………. 96
Figura 73. Alternador hitachi (242-LR170-408-1)......……………………………………. 96
Figura 74. Alternador hitachi (242-13828).....….…………………………………………. 96
Figura 75. Alternador hitachi (242-13638).....….…………………………………………. 96
Figura 76. Alternador hitachi (242-13639).....….…………………………………………. 97
Figura 77. Alternador bosch (242-13882)...…….…………………………………………. 97
14
Figura 78. Alternador bosch (242-23751)...…….…………………………………………. 97
Figura 79. Alternador bosch (242-13953)...…….…………………………………………. 97
Figura 80. Alternador bosch (242-12385)...…….…………………………………………. 97
Figura 81. Alternador ford (242-7768)...……….…………………………………………. 98
Figura 82. Alternador ford (242-8329)...……….…………………………………………. 98
Figura 83. Alternador valeo (242-2977).......………………………………………………. 98
Figura 84. Diagrama comparativo de alternadores.......…………………………………… 99
Figura 85. Motor 4T gasbike storm…...……………………………………………….…. 100
Figura 86. Motor 4T gasbike skyhawk……….……………………………………….…. 101
Figura 87. Motor 4T chongqing royway 125F………..……………………………….…. 101
Figura 88. Diagrama comparativo de motores a pistón 4T de bajo cilindraje…...…….…. 102
Figura 89. Motor de arranque lead SH/Speedfight.......……………………………….…. 103
Figura 90. Manguera de combustible caucho – lona….....…………………………….…. 105
Figura 91. Tanque de combustible de acero de baja densidad…..…………………….…. 105
Figura 92. Empaques/sellos de motor.......……………………………………………….. 107
Figura 93. Chumacera en CAD.………………………………………………………….. 110
Figura 94. Eje en CAD......……………………………………………………………….. 110
Figura 95. Rueda dentada conducida en CAD…..……………………………………….. 110
Figura 96. Cadena 1 en CAD…………………………………………………………….. 110
Figura 97. Rueda dentada conductora en CAD…..……………………………………….. 111
Figura 98. Motor eléctrico en CAD......………………………………………………….. 111
Figura 99. Controlador de velocidad en CAD...…………………………………………….. 111
Figura 100. Ultracapacitor en CAD………………………………………………………. 111
Figura 101. Alternador en CAD…..……………………………………………………… 112
Figura 102. Piñón en CAD……………………………………………………………….. 112
Figura 103. Cadena 2 en CAD...………………………………………………………….. 112
Figura 104. Motor recíproco en CAD…....……………………………………………….. 112
Figura 105. Soporte del motor eléctrico en CAD….…………………………………….. 113
Figura 106. Soporte del alternador en CAD…...………………………………………….. 113
Figura 107. Soporte del motor recíproco en CAD....…………………………………….. 113
Figura 108. Soporte del tanque de combustible en CAD…..…………………………….. 113
Figura 109. Tanque de combustible en CAD…….……………………………………….. 114
Figura 110. Manguera de combustible en CAD....……………………………………….. 114
Figura 111. Acople de exosto en CAD………..………………………………………….. 114
Figura 112. Exosto en CAD......………………………………………………………….. 114
Figura 113. Planta motriz ensamblada en CAD….……………………………………….. 115
Figura 114. Mosaico de la elaboración del banco para la planta motriz………………….. 161
Figura 115. Mosaico del pre-ordenamiento de los componentes en el Banco……………. 162
Figura 116. Proceso de pintura del banco…..……………………………………………. 162
Figura 117. Mosaico del ensamble de soportes y componentes…………………………. 163
Figura 118. Diseño final de la planta motriz construida....………………………………. 163
15
LISTA DE ANEXOS
Pág.
ANEXO A. DIAGRAMA DE FLUJO PARA CÁLCULO DE PARÁMETROS INICIALES
Y REQUERIMIENTOS A SATISFACER POR LA PLANTA MOTRIZ…..…………… 129
ANEXO B. CARACTERÍSTICAS DEL MATERIAL ACERO AISI 4140…..………… 133
ANEXO C. DIAGRAMA DE FLUJO PARA CÁLCULO DE DIMENSIONES DEL
EJE…..…………………………………………………………………………………… 134
ANEXO D. DIAGRAMA DE FLUJO PARA CÁLCULO DE TIEMPO DE DESCARGA
DE SÚPER CAPACITORES…..………………………................................................... 136
ANEXO E. DIAGRAMA DE FLUJO PARA CÁLCULO DE TIEMPO DE CARGA DE
SÚPER CAPACITORES.................................................................................................... 137
ANEXO F. PLANOS DE LOS COMPONENTES Y SISTEMAS DE LA PLANTA
MOTRIZ……..………………………………................................................................... 138
ANEXO G. DIAGRAMA DE FLUJO PARA CÁLCULO DEL CONSUMO TOTAL DE
COMBUSTIBLE DE LA PLANTA MOTRIZ................................................................... 159
ANEXO H. CONSTRUCCIÓN DE LA PLANTA MOTRIZ…..………………………. 161
16
GLORARIO DE NOMENCLATURA
Simbología Latina
𝑎 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙
𝑏 = 𝐸𝑥𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝐶 = 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 [𝐹𝑎𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜𝑠 → 1𝐹 = 1 𝐴 · 𝑠]
𝐶𝑇 = 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑢𝑙𝑡𝑟𝑎𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑜𝑟
𝑑 = 𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜
𝐷𝑖𝑔𝑜 = 𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑟𝑖𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝐺𝑜𝑜𝑑𝑚𝑎𝑛
𝐷𝑖𝑔𝑒 = 𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑟𝑖𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝐺𝑒𝑟𝑏𝑒𝑟
𝐷𝑇𝑐𝑜𝑛 = 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑢𝑙𝑡𝑟𝑎𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑛 𝑙𝑎 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎
𝐷𝑇𝑀𝑎𝑥 = 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑢𝑙𝑡𝑟𝑎𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑜𝑟 𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜
𝐹 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎
𝐹𝑓 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛
𝐹𝑓𝑠 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑐𝑜𝑛 𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑜 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑
𝐹𝑓𝑘 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑐𝑖𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑐𝑜𝑛 𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑜 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑
𝐹𝑓𝑠′ = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑐𝑜𝑛 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 (1.5)
𝐹𝑓𝑘′ = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑐𝑖𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑐𝑜𝑛 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑(1.5)
𝑔 = 𝐺𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑
𝐼 = 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
𝐼𝑐𝑜𝑛 = 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑙𝑜𝑠 𝑝𝑎𝑟á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑟𝑒𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
𝐼𝑀á𝑥 = 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜
𝐼𝑚á𝑥 = 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑢𝑙𝑡𝑟𝑎𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑜𝑟
𝐾𝑏 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑡𝑎𝑚𝑎ñ𝑜
𝐾𝑐 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎
𝐾𝑑 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎
𝐾𝑒 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑓𝑖𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑
𝐾𝑓𝑒 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜𝑠 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑜𝑠
𝐾𝑡𝑖 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 (𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑁𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙)
𝐾𝑡𝑠𝑖 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 (𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝐶𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒)
𝑙 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑
𝑚 = 𝑀𝑎𝑠𝑎
𝑀 = 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
𝑀𝑎 = 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛
𝑀𝑚 = 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛
𝑁 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙
𝑃𝑜 = 𝑃é𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎
𝑃 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑃@𝑟𝑝𝑚 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑝𝑖𝑠𝑡ó𝑛 𝑎 𝑐𝑖𝑒𝑟𝑡𝑎𝑠 𝑟𝑝𝑚 (𝐷𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑓𝑎𝑏𝑟𝑖𝑐𝑎𝑛𝑡𝑒)
17
𝑃𝑐𝑜𝑛 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑙𝑜𝑠 𝑝𝑎𝑟á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑟𝑒𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
𝑃𝐺𝐴 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑝𝑖𝑠𝑡ó𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑔𝑖𝑟𝑎𝑟 𝑒𝑙 𝑎𝑙𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑑𝑜𝑟
𝑃𝑀á𝑥 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜
𝑃𝑚á𝑥 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑢𝑙𝑡𝑟𝑎𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑜𝑟
𝑃𝑠 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑐𝑜𝑛 𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑜 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑
𝑃𝑠′ = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑐𝑜𝑛 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 (1.5)
𝑃𝑠𝑢𝑚 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑙 𝑢𝑙𝑡𝑟𝑎𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑜𝑟
𝑃𝑖 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑎 𝑐𝑜𝑛 𝑒𝑙 𝑡𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎
𝑃[𝑊ℎ] = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐸𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑢𝑙𝑡𝑟𝑎𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑜𝑟
𝑞 = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝐸𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝐴𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑎𝑑𝑎
𝑟 = 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜
𝑅 = 𝑅𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛
𝑟𝑝𝑚 − 𝐴 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑙𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑑𝑜𝑟
𝑆𝐹𝐶 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓í𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑝𝑖𝑠𝑡ó𝑛 (𝐷𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑓𝑎𝑏𝑟𝑖𝑐𝑎𝑛𝑡𝑒)
𝑆𝑢𝑡 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙
𝑡 = 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑒𝑠𝑡𝑖𝑚𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑟𝑜𝑚𝑝𝑒𝑟 𝑖𝑛𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎
𝑇 = 𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒
𝑇𝑎 = 𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛
𝑇𝑐 = 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 (𝐷𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 − 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎)
𝑇𝑚 = 𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛
𝑇𝑠 = 𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑐𝑜𝑛 𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑜 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑
𝑇𝑘 = 𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑐𝑖𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑐𝑜𝑛 𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑜 𝑠𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑
𝑇𝑠′ = 𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑐𝑜𝑛 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 (1.5)
𝑇𝑘′ = 𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝐶𝑖𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑐𝑜𝑛 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 (1.5)
𝑇𝑖 = 𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎
𝑉 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑
𝑉𝑐𝑡𝑒 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑢𝑙𝑡𝑟𝑎𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑜𝑟
𝑉𝐴𝑐𝑡𝑒 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑙𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑑𝑜𝑟
𝑣 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒
𝑊 = 𝑃𝑒𝑠𝑜
Simbología Griega
𝛼 = 𝐴𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟
𝜂𝑆 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑
∅ = 𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎
𝜃 = Á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑦 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜
𝜌 = 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑
𝜇𝐾 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑐𝑖𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑎
𝜇𝑆 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑎
𝜔 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 (𝑟𝑝𝑚)
18
INTRODUCCIÓN
Este trabajo de grado hace parte del proyecto de investigación institucional titulado “Diseño
de un Vehículo Concepto Urbano Aplicado a la Competencia Shell Eco Marathon”, el cual
hace parte de la convocatoria 008 de la Universidad de San Buenaventura Bogotá.
La compañía Shell en pro de disminuir los índices de contaminación, brinda la oportunidad
a investigadores de diseñar y exponer vehículos que generen el mayor rendimiento energético
con el menor consumo de combustible, otorgando un galón de gasolina y condicionando el
vehículo a parámetros de velocidades, pesos y dimensiones. Lo previamente mencionado
tiene como fin que el automóvil recorra un circuito establecido por Shell y se promedie el
consumo de combustible en base a la configuración y rendimiento del vehículo.
Esta competencia se realiza anualmente y tiene diferentes versiones que se realizan en
América, Asia y Europa. Debido a esto se ha tomado la decisión de diseñar un vehículo que
se acople a los requisitos y reglas de la competencia eco Shell versión Américas. Por ende el
grupo de planta motriz ha decidido establecer el diseño del sistema de propulsión para un
vehículo de concepto urbano aplicado a dicha competencia. Con base en lo anterior, se
propone diseñar un sistema motriz basado en conceptos de motores híbridos, más
explícitamente que cuenten con componentes de combustión interna y componentes
eléctricos.
La planta motriz del vehículo urbano funcionará mediante el abastecimiento de combustible
a un motor recíproco, el cual transforma la energía química de la gasolina a energía mecánica;
esta última, será aprovechada por un sistema alternado que a su vez está encargado de
transformar dicha energía mecánica en electricidad. De esta manera, se brindará carga a una
serie de súper capacitores, los cuales tendrán la funcionalidad de ofrecer tanto corriente cómo
voltaje a un motor eléctrico, y este a su vez otorgará el movimiento o energía mecánica
(torque) al vehículo.
Es de gran importancia para el desarrollo de este proyecto tener en cuenta los sistemas
secundarios, como soportes, acoples, eje, escape de gases, transmisión de potencia,
alimentación de combustible y ubicación de componentes relacionados con la planta motriz
en el compartimiento establecido en el vehículo de concepto urbano para la competencia eco
Shell.
19
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 ANTECEDENTES
La competencia Eco Shell se ha venido llevando a cabo desde el año 1939, debido a la
necesidad que se tiene de ahorrar combustible y lo que ha llevado a obtener grandes avances
en métodos de propulsión ecológica. A lo largo de los años en los cuales se ha realizado la
competencia, se han logrado una serie de records y resultados bastante relevantes para la
industria automotriz y de una u otra manera un aporte al medio ambiente. “En el año 2003
fue establecido un record mundial por un equipo francés con un vehículo llamado
MICROJOULE el cual recorrió 10.705 mpgimp”1, el record actual es de 12.665 mpgus
establecido por el PAC-CAR II en el año 2005.
Los sistemas de propulsión utilizados por estos vehículos en el logro de los records, fue a
nivel de combustión interna con elementos como motores de 35cc de 4 tiempos y manejando
un intervalo de 40 a 50 kg en el peso del vehículo. En investigaciones realizadas en la
Universidad Sueca de LUND se dedujo que la energía cinética de frenado puede ser
aprovechada por un vehículo híbrido para recargar sus baterías y gracias a este principio se
llegaría a reducir el consumo de combustible a la mitad. Siguiendo por la misma línea de
investigación, la Escuela Superior Politécnica del Litoral, desarrolló un prototipo de
propulsión híbrida en paralelo, basados en la implementación de un motor de combustión
interna y un motor eléctrico, donde la forma de combinar estos dos motores es mediante una
configuración en paralelo donde ambos contribuyen a la tracción del vehículo tal como si
fuera una doble transmisión, donde el componente eléctrico es utilizado básicamente en
velocidades menores a 40 km/h lo que se denomina óptimo para la ciudad, y el motor de
combustión interna asegura una buena velocidad máxima.
1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
Se requiere plantear el diseño y selección de componentes para la planta motriz del vehículo
urbano aplicado a la competencia Eco Shell Marathon, la cual estará compuesta por un motor
de combustión interna para aportar la carga a una serie de súper capacitores y de esta manera
suministrar la energía al motor eléctrico que tiene como fin brindar la propulsión de dicho
vehículo.
De acuerdo a lo anterior, la pregunta de investigación planteada es la que se muestra a
continuación.
1 Simpson, Richard (2003-07-18). "Running on empty". The Daily Telegraph (London: Telegraph Media
Group). Acogida 2012-02-17.
20
¿Cuáles son los componentes necesarios para un motor híbrido en cuanto a energía mecánica,
química y eléctrica, que suplan la necesidad de obtener una velocidad no mayor a 15mph o
no mayor a 281 rpm?. Puesto que con estos componentes se deben garantizar constantemente
los parámetros mencionados anteriormente, aun cuando exista la necesidad de mover hasta
280 kg de peso máximo. ¿Cuál será el mejor planteamiento en cuanto a organización y
ensamble del sistema de propulsión qué llegue a garantizar hasta 628 N·m de torque?
1.3 JUSTIFICACIÓN
Con este proyecto de investigación se ven beneficiados aspectos académicos importantes
como el diseño, la experimentación e investigación en los temas de propulsión híbrida con
energía química, mecánica y eléctrica. Por lo anterior, se puede realizar un aporte
considerable al enriquecimiento de los contenidos temáticos de los cursos de motores de la
Universidad de San Buenaventura Bogotá, así como estudios relacionados con nuevas formas
de propulsión no sólo en la industria aeronáutica sino también a modo de ejemplo en la
industria automotriz. Analizando la parte de investigación, semilleros de la Universidad
como SIMOC2, Applied CFD y los grupos de investigación Green Energy GIMOC y
Aerotech representarán un rol muy importante para la culminación del proyecto, porque en
un futuro este estudio podría emplearse en la formulación de nuevos trabajos de investigación
encaminados a la optimización de los sistemas aquí desarrollados y a generar
experimentación. Este proyecto es viable debido a que se cuenta con todos los recursos,
conocimientos y medios necesarios para su ejecución; por otra parte, es una tecnología que
está en constante crecimiento y en constante aplicación.
1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
1.4.1 Objetivo General
Diseñar el sistema de propulsión de un vehículo urbano para la competencia Eco Shell
Marathon.
1.4.2 Objetivos Específicos
Seleccionar el componente recíproco o de combustión interna del sistema, basados
en un criterio de selección del cumplimiento del propósito y comparación tanto de
comportamiento como de resultados entre diferentes motores recíprocos.
2 SIMOC (Semillero de Investigación de Motores de Combustión de la Universidad de San Buenaventura
Bogotá, perteneciente a Green Energy GIMOC que es como tal el grupo de investigación de motores de la
USB).
21
Seleccionar todos los componentes referentes al sistema eléctrico, basados en un
criterio de selección de cumplimiento con la función asignada y comparación tanto
de comportamiento como de resultados entre diferentes motores eléctricos.
Diseñar los mecanismos de conexión entre el eje del motor eléctrico con el eje de
tracción del vehículo urbano.
Diseñar el sistema de alimentación del combustible.
Diseñar el sistema de escape del vehículo urbano.
Presentar plano detallado del mecanismo de conexión entre ejes, sistema de escape y
sistema de combustible.
Establecer un modelo 3D en CAD de todo el sistema de propulsión.
1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO
Este sistema de propulsión será diseñado acorde a los requerimientos de desempeño de la
competencia Eco Shell Marathon3. El diseño final será presentado en el software de diseño
(CAD) que se encuentre funcionando bajo la normatividad y políticas de la Universidad de
San Buenaventura en el momento de iniciar la elaboración del mismo.
No se realizará la construcción del sistema de propulsión del vehículo. Tampoco se construirá
ni diseñará el motor recíproco, el motor eléctrico, el sistema de carga de los capacitores ni el
modulo capacitor. Por otra parte, sólo se realizará el diseño de la interconexión de todos los
elementos seleccionados.
En la parte de conexión entre el eje del motor eléctrico y el eje de tracción, se realizarán
cálculos de engranajes tales como los tipos de engranajes, el número de dientes, los
diámetros, las velocidades angulares, las distancias entre los centros y el establecimiento del
tipo de unión de dichos engranajes. Para el eje de tracción, los cálculos estructurales se verán
limitados a un análisis de torsores y esfuerzos cortantes así como el cálculo de las medidas
del mismo como son largo, diámetro y las cargas a las que estará sometido; no obstante, no
se realizaran estudios de fatigas del material, estudio por elementos finitos, pérdidas por
fricción, razón de contacto ni análisis de vibraciones.
3 Se recomienda al lector acudir a la normatividad de la competencia.
http://www.shell.com/global/environment-society/ecomarathon/for-participants/general-information-
rules.html.
22
En la parte de escape se establecerán medidas como diámetros de los ductos, longitudes y
geometría del sistema. Se propondrá la selección de un material para la fabricación de dicho
sistema basados en los parámetros de la temperatura de salida de los gases y el carácter
corrosivo de los mismos.
Para el sistema de combustible se establecerán dimensiones de las mangueras y el tanque, así
como la selección de materiales en base a las características del combustible suministrado
por la compañía Shell y la selección del tipo de alimentación de combustible basados en el
motor recíproco previamente seleccionado.
No se diseñará la bancada del motor, ni se realizarán cálculos estructurales del soporte del
sistema de propulsión con el vehículo urbano. Otro elemento que no se diseñará ni calculará
es la pared de fuego, es decir el elemento que divide la planta motriz de la sección donde se
ubica el conductor del vehículo urbano.
23
2. MARCO DE REFERENCIA
2.1 MARCO NORMATIVO
Las normas y reglas que aplicaran restricción a este proyecto de investigación, son las mismas
establecidas por la compañía Shell en su competencia Eco Marathon versión Américas. A
continuación se nombran capítulos e incisos directamente relacionados con el sistema de
propulsión de los vehículos participantes en dicha competencia.
Capítulo 3 Diseño del Vehículo
Inciso 3A General
Art 27 – Propulsión y Energía (Sistema de Almacenamiento y Aislamiento): Todos los
sistemas de almacenamiento de energía y propulsión, deberán estar separados de la cabina
del piloto por medio de una pared, esté elemento deberá estar constituido por un material
resistente al fuego y cubrir todo el contorno del vehículo.
Art 34 – Clutch y Transmisión de Potencia: Todos los vehículos de combustión interna
deberán contar con un sistema de embrague, porque así el motor este encendido, el vehículo
deberá ser capaz de mantenerse detenido. La instalación de cadenas o correas de transmisión
es obligatoria.
Art 35 – Sistema de Escape: Los gases de escape deberán ser dirigidos fuera de la carrocería,
el tubo no deberá extenderse más allá de la parte trasera del vehículo y todos los elementos
que constituyen el escape, deberán estar construidos de metal. El ruido y el gas emitido,
deberán cumplir con normas ambientales razonables.
Inciso 3C Grupo de Concepto Urbano
Art 45 – Dimensiones: El vehículo deberá estar entre el rango de las siguientes dimensiones.
Altura: 100cm–130cm, Ancho: 120cm–130cm (sin espejos retrovisores), Longitud: 220cm–
350cm, Distancia entre neumáticos: Delanteros: superior a 100cm, Traseros: superior a
80cm, Distancia entre ejes: superior a 120cm, Compartimiento del conductor: Alto: superior
a 88cm, Ancho: superior a 70cm, Distancia al suelo de la carrocería: superior a10 cm. Y el
peso máximo (sin conductor): 205kg.
Art 48 – Ruedas: El diámetro de las ruedas debe estar entre 13in–18in de diámetro y las
ruedas situadas en el interior de la carrocería, no deberán ser accesibles para el conductor.
Art 49 – Llantas: Deben estar instaladas con el tipo de llanta recomendada por el fabricante
del rin, aparte deben tener una banda de rodamiento mínima de 1.6mm y un ancho mínimo
de 80mm.
24
Capítulo 4 Fuentes de Energía
Inciso 4B - Motores de Combustión Interna
Art 59 – Propulsión: Los motores a combustión interna deben utilizar el combustible
suministrado por la organización y no deberán consumir ningún tipo de aceite, por tal motivo
los motores de 2 tiempos no son permitidos.
Art 61 – Tanques de combustible: Deben estar instalados en una posición accesible y que
permita una buena manipulación al momento del llenado.
Art 62 – Sistema de Combustible: Debe tener la capacidad de ser totalmente drenado, contar
con una línea de combustible resistente y sin filtros y/o válvulas entre el tanque y el motor.
La competencia suministrará nitrógeno, diésel o gasolina según sea el caso.
Art 63 – Los Vehículos Que Usan La Tecnología Híbrida: El dispositivo de almacenamiento
de energía deberá ser un condensador, no se permitirá ningún otro tipo de batería o sistema
de almacenamiento para el sistema de propulsión, esté condensador será la única fuente de
energía que accionará el motor eléctrico y deberá contar con dos conectores instalados en la
parte externa del vehículo, para poder verificar la carga. NOTA: Puede contar con una batería
adicional para garantizar el funcionamiento de los sistemas eléctricos.
Inciso 4C – Propulsión Eléctrica
Art 67 – Capacitores: El vehículo solo podrá contar con un sistema de almacenamiento de
energía, es decir que no se podrán implementar dos condensadores. El motor eléctrico podrá
ser comprado o diseñado con un controlador aplicable según sea el caso.
2.2 MARCO TEÓRICO
Fundamentados en el concepto de vehículos híbridos, es decir aquellos que permiten la
combinación de diferentes tipos de energías en el mismo sistema; pero a su vez siendo
participes del objetivo principal de la competencia Shell Eco Marathon, el cual es disminuir
la emisión de gases contaminantes hacia el medio ambiente, se hace necesario el uso de un
componente eléctrico que se encargue de transformar la energía eléctrica en energía
mecánica, teniendo como consecuencia un proceso de cero emisiones contaminantes.
En este punto ya se dispone de la energía mecánica necesaria para brindar movimiento al
vehículo de concepto urbano, el cual es un vehículo con todas las características básicas de
diseño que se encuentran en los automóviles del común. Sin embargo, se debe establecer un
sistema que se encargue de brindar la energía eléctrica que se va a consumir; instancia en la
que un componente de tipo alternador, se encargará de transformar la energía mecánica
proveniente de un motor de combustión interna en energía eléctrica.
25
Con todo lo anterior se hace visible que el enfoque de todo el proyecto de investigación, está
dirigido al uso de plantas motrices híbridas y todos los principios que apliquen a las mismas.
Este concepto cada día abarca más terreno en la industria automotriz, razón por la cual
grandes compañías vehiculares presentan al público diseños cómo: la Chevrolet Silverado,
el Honda Insight, el Toyota Pirus e Hino con vehículos de carga híbridos (Combustible
derivado del petróleo y electricidad).
A continuación se irán definiendo los términos necesarios para la correcta comprensión de
las características y el funcionamiento de la planta motriz diseñada; así como los diferentes
componentes y sub-sistemas que la conforman.
2.2.1 Transmisión de potencia
Se conoce como transmisión de potencia a la acción de transmitir movimiento, velocidad,
torque y demás conceptos en función de la potencia, los cuales provienen de un elemento
fuente y son llevados hasta un elemento receptor. Por lo general, la transmisión de potencia
se realiza a través de elementos que roten; debido a que estos ocupan mucho menos espacio
en comparación con elementos que se trasladen como las palancas y los sistemas articulados.
La transmisión mecánica es una forma de intercambiar energía mecánica, aprovechando el
movimiento entre cuerpos sólidos como engranajes, cadenas y/o correas de transmisión.
Las transmisiones normalmente permiten la reducción en la velocidad de rotación, mediante
la relación existente entre el giro de los engranajes o ruedas dentadas (N2/N1) que componen
una transmisión mecánica; sistemas como los usados en los automóviles, incluyen la
capacidad de seleccionar una de varias relaciones como es el caso de la caja de cambios. Es
decir, que los engranajes a nivel interno cambian de configuración dependiendo las
necesidades o exigencias que se necesiten en cuanto a reducciones de velocidad del motor y
aumento en los pares de fuerza (torque). Las transmisiones por lo general se emplean en una
gran variedad de aplicaciones como molinos, reductores, etc.
2.2.1.1 Tipos de transmisión de potencia
Los tipos de transmisión de potencia que generalmente se usan son:
2.2.1.1.1 Transmisión con correa
Es aquel tipo de transmisión mecánica en el que se unen dos o más poleas y a su vez éstas se
encuentran en movimiento rotacional como se observa en la Figura 1, lo anterior mediante
una cinta o correa continua que aporta fuerza de fricción mediante la atadura de las ruedas,
forma en la que imprime energía a las mismas obtenida desde la rueda motriz.
26
Figura 1. Transmisión de potencia con correa [1].
2.2.1.1.2 Transmisión con cadena
Es aquel tipo de transmisión mecánica en el que se pueden unir dos o más ruedas dentadas
y/o piñones, a través de una cadena que posee ranuras en las que se introducen los dientes
del piñón como se observa en la Figura 2, y mediante fricción y torque transmiten el
movimiento al resto del sistema, los eslabones de la cadena son articulados, por lo que es
recomendable su uso cuando la distancia entre centros es muy corta como para emplear
correas o muy grande como para emplear engranajes.
Figura 2. Transmisión de potencia con cadena [2].
2.2.1.1.3 Transmisión con cascada de engranajes
Es una transmisión mecánica que funciona de igual manera que la transmisión por correa o
cadena, simplemente que existe contacto directo entre las ruedas ya mencionadas, en este
caso los engranajes como se observa en la Figura 3. Es de tener en cuenta que los
movimientos son invertidos es decir que si el engranaje motriz gira a la derecha el
movimiento de salida del engranaje receptor será a la izquierda.
27
Figura 3. Transmisión por engranajes [3].
2.2.1.1.4 Transmisión con junta universal
Es la transmisión que usa como objeto principal un elemento conocido como cardán, que es
el componente que permite el giro entre dos ejes que tienen un ángulo entre sí como se
observa en la Figura 4. Por lo general este tipo de transmisión, se usa para transmitir la
rotación del motor en la parte delantera de un vehículo al eje trasero o de tracción. El mayor
problema con el cardán es que el eje receptor de movimiento no gira a velocidades angulares
constantes debido a la configuración del elemento ya mencionado.
Figura 4. Transmisión por junta universal [4].
2.2.1.2 Transmisión por correa y por cadena
A continuación se definen los tipos de correa que se utilizan usualmente en el mercado y las
características que las comprenden.
28
2.2.1.2.1 Correa plana
En la actualidad este tipo de correas han sido sustituidas por las correas trapezoidales, aunque
pueden ser utilizadas en aquellas transmisiones que no requieren grandes prestaciones,
debido a que no transmiten potencias muy elevadas y la velocidad lineal que puede ofrecer
sin pérdidas de rozamiento es menor a los 5 m/s, sin embargo la mayor ventaja de este tipo
de correa plana evidenciada en la Figura 5, es cuando la distancia entre los ejes de las poleas
es elevada.
Figura 5. Correa plana [5].
2.2.1.2.2 Correa trapezoidal
Por la geometría de la correa que se puede evidenciar en la Figura 6, se observa la ventaja de
trasmitir pares de fuerza más elevados, y una velocidad lineal de hasta 30 m/s sin problemas
de pérdida de rozamiento con las poleas.
Figura 6. Correa trapezoidal [6].
2.2.1.2.3 Correa dentada
Este tipo de correas dentadas como se observa en la Figura 7, son usadas principalmente para
trasmitir alta potencia entre ejes. Si se desea lograr un desempeño eficiente de la correa, es
recomendable implementar poleas de pequeños diámetros, de esta forma se puede obtener
una relación de transmisión constante. Entre sus principales características, se encuentra que
no presenta deslizamiento y por lo tanto efectúa una transmisión sincrónica.
29
Figura 7. Correa dentada [7].
2.2.1.3 Engranajes
Un engranaje es una rueda dentada empleada principalmente para transmitir un movimiento
giratorio, dicho movimiento se realiza por medio de un conjunto compuesto por mínimo dos
engranajes y estos a su vez transmiten el movimiento de uno de los ejes al otro [8].
Los engranajes se pueden clasificar en:
Según su forma.
Engranajes cilíndricos.
Engranajes cónicos.
La posición de sus dientes.
Engranajes interiores.
Engranajes exteriores.
La forma de sus dientes.
Engranajes rectos.
Engranajes helicoidales.
2.2.1.3.1 Engranajes cilíndricos
Este tipo de engranajes es el más común y clasifican en la categoría de engranajes con dientes
rectos como se puede observar en la Figura 8. Este tipo de engranajes son demasiado ruidosos
y no son recomendados para trabajar a grandes velocidades.
30
Figura 8. Engranajes cilíndricos [9].
2.2.1.3.2 Engranajes cónicos
Los engranajes cónicos fueron creados con la finalidad de transmitir movimiento en ejes que
se cruzan formando un ángulo determinado como se observa en la Figura 9. Los dientes en
este tipo de engranajes pueden ser rectos o curvos.
Figura 9. Engranajes cónicos [10].
2.2.1.3.3 Engranajes interiores
Este tipo de engranajes llevan gravados por la parte interior los dientes que lo conforman tal
y como se observa en la Figura 10, a su vez este tipo de engranajes brindan las
funcionalidades de los patrones dentados para transmitir movimiento y potencia.
Figura 10. Engranajes interiores [11].
31
2.2.1.3.4 Engranajes exteriores
Estos engranajes son los más comunes en la industria por su funcionalidad y fácil
implementación. Estos llevan el labrado de los dientes que los conforman en la parte exterior
de su forma cilíndrica tal y como se muestra en la Figura 11.
Figura 11. Engranajes exteriores [12].
2.2.1.3.5 Engranajes rectos
Como su nombre lo indica, se conforman de dientes tallados de forma rectilínea, y tienen la
particularidad de que la dirección del tallado de los dientes está en paralelo al eje de giro de
la rueda, así como se evidencia en la Figura 12.
Figura 12. Engranajes rectos [13].
2.2.1.3.6 Engranajes helicoidales
El modo de reconocer un engranaje de este tipo, se evidencia principalmente al observar un
dentado oblicuo con relación al eje de rotación tal y como se ve en la Figura 13. Los ejes en
los que se transmite el movimiento entre este tipo de engranajes pueden ser paralelos o
cruzarse formando un ángulo.
32
Figura 13. Engranajes helicoidales [14].
2.2.1.3.7 Piñones
Un piñón es la rueda dentada de un mecanismo que funciona transmitiendo potencia, ya sea
como engrane o con el uso de una transmisión por cadena. Generalmente se utilizan dos
ruedas dentadas en los mecanismos ya mencionados. A la rueda más pequeña se le denomina
piñón conductor y a la rueda más grande se le denomina piñón conducido.
2.2.2 Motor eléctrico
Un motor eléctrico es la máquina que tiene la capacidad de transformar energía eléctrica en
energía mecánica. Este componente funciona aprovechando el principio de aversión o
repelencia, que presenta un elemento metálico cargado eléctricamente al encontrarse en
presencia de un imán. Basado en lo anterior el motor eléctrico se clasifica como una máquina
eléctrica rotatoria y a su vez puede estar alimentado eléctricamente mediante una red de
suministro (que lleva energía desde la principal al usuario final) o acumuladores eléctricos
(baterías).
2.2.2.1 Ventajas de los motores eléctricos
Entre las ventajas más destacadas de esta máquina encontramos:
Peso y tamaño más reducido al generar una potencia similar a su homónimo el motor
recíproco.
Su construcción está limitada únicamente por el voltaje, es decir que forma y tamaño
dependen primordialmente del diseñador y el voltaje del que se disponga.
El torque que se puede llegar a generar es alto y dependiendo del tipo de motor, dicho
parámetro puede ser constante.
33
El rendimiento es proporcional a la potencia del motor, pero generalmente se puede
establecer de un 75% o más.
Estos motores no emiten contaminantes ambientales, la única contaminación de
posible existencia es aquella relacionada con la manera de obtener la energía eléctrica.
Una de sus principales características es que son autoventilados, por lo que no es
necesario brindar una refrigeración.
En estos motores no es necesario el uso de una transmisión mecánica conformada por
una caja de velocidades, debido a que los parámetros como las rpm, el torque y la
potencia, están definidos por la cantidad de energía eléctrica que se suministre al
motor. Generalmente en los motores eléctricos, se hace uso de un regulador de voltaje
que funciona como el acelerador que se utiliza en un motor a pistón; en cambio en
los motores de corriente alterna, se varía la frecuencia de la señal con un equipo
especial.
2.2.2.2 Tipos de motores eléctricos
Los dos grandes grupos de motores eléctricos, son determinados por el tipo de corriente que
estos usen.
1. Motores de corriente continua.
2. Motores de corriente alterna.
2.2.2.2.1 Motores de corriente continua
Estos motores de corriente continua se definen básicamente por el modo o forma en la que
estén conectados. El principio de funcionamiento es el definido en la sección 2.2.2; por lo
que a continuación se muestra la clasificación de dichos motores.
2.2.2.2.1.1 Motor serie
Es aquel motor de corriente continua en el que el inducido interno y el devanado o bobinado
que induce se encuentran en serie como se representa en la Figura 14, por lo que la corriente
de dicho inductor es la misma absorbida por el motor, lo anterior basado en que un circuito
en serie se conoce como divisor de voltaje en el que la corriente es la misma en cada punto
del mismo.
Entre las principales ventajas de este tipo de motor, se encuentra que la potencia es casi
constante a cualquier velocidad, por otra parte se ve poco afectado en las variaciones de la
34
intensidad de alimentación energética o tensión y por último en el motor serie el flujo
inductor disminuye a la vez que se reduce la velocidad.
Figura 14. Motor serie [15].
2.2.2.2.1.2 Motor compuesto
Este motor eléctrico de corriente continua, es aquel en el que la inducción se genera a partir
de dos bobinados que a su vez inducen de manera independiente. Uno de estos está conectado
en serie y el otro en derivación con el circuito formado por los bobinados ya mencionados
tal y como se observa en la Figura 15. En este motor se dispone de pocas vueltas pero a su
vez de un alambre grueso, que se conecta en serie con la armadura por lo que dicho elemento
es el que a la final recibe la corriente.
Figura 15. Motor compuesto [16].
2.2.2.2.1.3 Motor shunt
Este motor al igual que los ya definidos es de corriente continua, la única diferencia es que
la inducción o excitación se genera a partir de un devanado o bobinado conectado en paralelo
con el circuito formado por los bobinados de inducción auxiliar y el inducido como se
muestra en la Figura 16.
35
Figura 16. Motor shunt [17].
2.2.2.2.1.4 Motor sin escobillas
Generalmente el cambio de polaridad para permitir el giro del rotor está a cargo de unos
elementos llamados escobillas. En este motor dichos componentes se abolieron por la sencilla
razón de que los mismos generan rozamiento, disminuyen el rendimiento y generan ruido. El
elemento que remplazo las escobillas en el motor mostrado en la Figura 17, se denomina
control electrónico y de esta manera se efectúa dicho cambio de polaridad en el rotor.
Figura 17. Motor sin escobillas [18].
Aparte de los motores mencionados y explicados anteriormente, en electrónica se utilizan
otros tipos de motores de corriente continua; pero en vista de la no aplicabilidad en el
proyecto de este tipo de motores, debido a la baja relación entre el par de fuerza (torque) y
las rpm; dichos motores sólo serán mostrados en la Tabla 1.
36
MOTORES ELÉCTRICOS DE CORRIENE CONTINÚA EN ELECTRÓNICA
Figura 18. Motor paso a paso [19]
Figura 19. Servomotor [20]
Figura 20. Motor sin núcleo [21]
Tabla 1. Motores en electrónica.
2.2.2.2.2 Motores de corriente alterna
Estos motores de corriente alterna se encuentran de 4 tipos diferentes, siendo el motor
universal y el motor de jaula de ardilla los más utilizados.
2.2.2.2.2.1 Motor universal
Básicamente este es un motor eléctrico que se puede alimentar eléctricamente, ya sea con
corriente alterna o con corriente directa. En cuanto a configuración es similar a la del motor
serie destacando una algunos cambios importantes como son: reducción de pérdidas por
corrientes parásitas que genera la variación del flujo magnético, menor cantidad de espiras
en el bobinado inductor y mayor número de espiras en el bobinado inducido, todo con el
objetivo de generar mejor rendimiento.
Generalmente por características como velocidad de rotación, tamaño y precio, este tipo de
motores como el mostrado en la Figura 21, es usado en electrodomésticos o varias de las
herramientas portátiles que existen hoy día en el mercado, cómo el horno micro ondas en el
plato giratorio, los taladros, la licuadora, la lavadora en su torniquete de giro, etc.
37
Figura 21. Motor universal [22].
2.2.2.2.2.2 Motor de jaula de ardilla
Es un motor que recibe su nombre por el parecido que existe con las ruedas de giro de los
hámsteres, tal y como se evidencia en la Figura 22. Básicamente funciona poniendo en corto
los anillos que forman dicha jaula y lo anterior por medio de unas barras conductoras
alrededor del eje central. En cuanto a funcionamiento simplemente se produce una torsión en
las barras conductoras produciendo una tendencia a girar respecto al eje, este proceso
mediante la reacción que se obtiene cuando hay presencia del campo magnético del motor y
la carga que fluye a través de las barras conductoras.
Figura 22. Motor de jaula de ardilla [23].
2.2.2.2.2.3 Motor asíncrono
Estos motores son como el que se muestra en la Figura 23 y tienen un rotor que puede ser
tipo jaula de ardilla o en su defecto un bobinado. Básicamente al ser trifásico se tienen 3
líneas de corriente desfasadas entre si 120°, lo que induce a la creación de un campo
magnético que envuelve el rotor y por principios de la ley de inducción de Faraday, el campo
mencionado induce una tensión en el rotor y así proceder a generar el par de fuerzas o giro
en el mismo.
38
Figura 23. Motor asíncrono [24].
2.2.2.2.2.4 Motor síncrono
Es un motor trifásico de corriente alterna como el que se ve en la Figura 24, en el cual la
velocidad de giro es constante y depende primordialmente de la frecuencia que maneje la
tensión de la red eléctrica, así como el número de polos de dicho motor. Esta velocidad de
giro se conoce comúnmente como velocidad de sincronismo.
Figura 24. Motor síncrono [25].
2.2.3 Súper capacitores
Los súper capacitores funcionan como los capacitores convencionales, sin embargo tienen la
capacidad de almacenar hasta 10.000 veces más energía y con igual proporcionalidad de
tamaño. Algunos logran llegar a los 3.000 F, mientras los comunes están en el orden de micro
faradios (μF). Se caracterizan por su excelente rendimiento y capacidad de almacenar una
elevada energía en relación a su peso. Por último, estos no se ven afectados por el efecto
memoria que presentan las baterías; aquel que se produce por brindar la carga a los
dispositivos cuando no hay presencia de una descarga total [26].
39
Los súper capacitores lucen como el elemento mostrado en la Figura 25 y tienen una vida
media aproximada de 10 años, estos no presentan ningún tipo de problema en cuanto al
funcionamiento debido a los cambios de temperatura, a los movimientos bruscos y a las
vibraciones.
Los súper capacitores se caracterizan por su facilidad de carga y descarga en lapsos de tiempo
muy cortos, gracias a esto, en los últimos años han sido una gran alternativa o complemento
para dispositivos de producción o almacenamiento de energía.
Figura 25. Súper capacitor [27].
2.2.3.1 Tipos de súper capacitores
La clasificación de los súper capacitores, viene dada por los materiales de los que se
encuentran fabricados.
2.2.3.1.1 Súper capacitores electrolíticos de entre caras de carbono de doble capa
Principalmente son los que utilizan hidróxido de sodio y potasio. En estos súper capacitores
la disolución se descompone en iones positivos que pueden ser de los elementos previamente
mencionados. En el momento que dichos iones evidencian un voltaje debido al crecimiento
de la atracción entre las cargas, se logra acumular gran cantidad de energía eléctrica.
2.2.3.1.2 Súper capacitores no electrolíticos de entre caras de carbono de doble
capa
Los más destacados son los compuestos por aero geles, soles, nanotubos de carbono y
carbono activado.
Los conformados como soles son estos que tienen en cuenta las dispersiones de partículas
sólidas en un elemento líquido y que a su vez dichas partículas permanecen en movimiento
browniano; es decir, ese movimiento aleatorio que se evidencia en partículas microscópicas
cuando están en un líquido.
40
Por otro lado se encuentran los conformados por gel, el cual es simplemente un elemento
sólido con gran cantidad de líquidos y a su vez una estructura que permite la combinación de
fases (líquido y sólido).
2.2.3.1.3 Súper capacitores acuosos de óxido de doble capa con
pseudocapacitancia redox
La característica de este tipo de súper capacitores, es que están compuestos de óxido de litio,
bióxido de rutenio, cobalto y magnesio; entre los diferentes tipos de fabricación que existen
para este tipo de súper capacitores, resalta el que se lleva a cabo mediante el proceso de
electrolisis, es decir cuando se separan los átomos de un compuesto por medio de la
electricidad.
2.2.3.1.4 Súper capacitores de polímeros conductores
Para concebir el funcionamiento de este tipo de súper capacitor, es clave entender que un
polímero conductor es un material de tipo orgánico, el cual a su vez posee la capacidad de
conducir la energía de una manera muy similar a la de un metal. Por lo que la característica
principal de este súper capacitor es ser conformado por dichos polímeros.
2.2.3.2 Ventajas y desventajas de los súper capacitores
Entre las ventajas que se pueden encontrar para los súper capacitores están:
Gran período de operación.
Capacidad de suministrar grandes valores de corriente.
Valor de carga fácil de monitorear.
Alta eficiencia.
Alto rango de tensión.
Extensos ciclos de operación.
Mantenimiento práctico.
En cuanto a las desventajas de los súper capacitores, son muy reducidas en comparación con
las que se encuentran en las baterías del común; es decir las de litio, plomo, níquel-cadmio y
entre otras. Sin embargo entre las más destacadas, están las siguientes:
Elevados niveles de temperatura.
La vida útil de los súper capacitores, disminuye conforme aumenta la capacitancia.
Poco comerciales.
Costos elevados.
41
2.2.3.3 Aplicación en vehículos híbridos
Gracias a la gran eficiencia de los súper capacitores, estos son un componente que promete
un gran aporte a la evolución en medios de transporte que combinen energía eléctrica y
energía química. El aporte primordial en vehículos híbridos como el mostrado en la Figura
26, es fundamentalmente porque permite una mejor descarga en el instante en que el vehículo
es acelerado. En el año 2000 se realizó una prueba implementando súper condensadores, y
se evidencio una aceleración de 15,7 𝑓𝑡
𝑠2, monitoreando una minoría en la pérdida de la energía
que este es capaz de almacenar.
Figura 26. Automóvil híbrido [28].
2.2.3.4 Almacenamiento de energía
La carga del súper capacitor, es el número de electrones que se transportan durante el proceso
en el período de carga. La carga se expresa en unidades de Culombio (C) el cual
dimensionalmente se expresa como Amperios por segundo. La carga está dada por la
ecuación (1):
𝑄 = 𝐼 · 𝑡 (1)
donde, 𝐼 es la corriente dada en Amperios (A) y 𝑡 el tiempo de carga dado en segundos (s).
42
Luego de cumplir el proceso de carga del condensador, el súper capacitor tiene la cualidad
de mantener la carga eléctrica incluso cuando se desconecta de la fuente de energía externa,
esto se debe a que entre las placas que lo componen mostradas en la Figura 27 se mantiene
la fuerza de atracción debido a la polaridad.
Figura 27. Esquema interno del capacitor [29].
En los súper capacitores la tensión cumple un papel determinante en la selección de este, y
en el comportamiento cuando se le implemente en la tarea destinada, de tal manera que la
carga y la rapidez con que esta se adquiera depende de la tensión suministrada dada por la
ecuación (2).
𝜏 = 𝑅 · 𝐶 (2)
donde, τ es el tiempo que demora en obtener el 63.2 % del voltaje de la fuente que se le aplica
y se consigue a partir de la ecuación (3), R es la resistencia dada en ohmios (Ω) y C la
capacidad eléctrica dada en faradios (F).
𝑉𝑓 = 5 · 𝜏 (3)
Es importante tener en cuenta el voltaje de ruptura del súper capacitor, que es aquel voltaje
máximo que se le puede aplicar a los terminales de dicho capacitor.
2.2.4 Alternador
Es un dispositivo capaz de transformar energía mecánica en energía eléctrica, el nombre
alternador se debe a que el tipo de energía que genera es corriente eléctrica alterna (AC).
Todos los alternadores como generadores de energía producen la corriente cuando se crea un
43
movimiento a nivel interno de un campo magnético, en un alternador se puede hacer la
analogía con un rotor y un estator, donde el rotor es el encargado de crear el campo magnético
girando al interior del estator que a su vez hace las veces de conductor.
La corriente alterna AC que genera el alternador puede ser convertida en corriente directa
DC mediante un proceso de rectificación mediante un puente de diodos. Este dispositivo
funciona conforme al principio de que se genera corriente eléctrica en un alambre, siempre
que este cruza un campo magnético.
El alternador usa como campo magnético un electro imán, el cual es excitado por una
pequeña cantidad de corriente de la batería; dicha corriente llega al electro imán por medio
de los anillos colectores situados en la flecha del alternador. Generalmente usando el motor
se hace girar el electroimán, se intercepta el campo con el cuadro externo de alambre, y la
corriente circula por este primero en un sentido y luego en el otro [30].
Figura 28. Funcionamiento del alternador [31].
2.2.4.1 Componentes del Alternador
En la Figura 29 se muestra tanto la disposición cómo el orden de los componentes que forman
un alternador. Aquellos que tienen más relevancia tienen adjunta su función principal.
1. Los diodos. (Convierten AC en DC).
2. Bobinas del estator. (Donde se origina la corriente).
3. Núcleo del estator.
4. Embobinado del rotor.
5. Rotor.
6. Polea impulsada por el motor con una banda o cadena.
7. Estructura.
44
8. Anillos colectores. (Transmiten la corriente al embobinado del rotor, para mantenerlo
magnetizado).
9. Escobillas.
Figura 29. Componentes del alternador [32].
Mediante el siguiente diagrama de flujo se podrá evidenciar el funcionamiento y el paso a
paso que sigue el alternador; para llevar a cabo la transformación de la energía mecánica en
energía eléctrica.
INICIO
1. Se suministra energía
mecánica al rotor.
2. El rotor crea un
campo magnético cte.
1
45
3. El rotor gira a “n” rpm
impulsado por la maquina motriz.
5. El campo magnético induce tensión
en el estator con una frecuencia.
𝑓 =𝑝 ∗ 𝑛
60
4. El campo magnético gira a la
misma velocidad que el rotor.
6. Al conectar una carga
circula corriente por el estator.
7. Dicha corriente origina un campo
giratorio en el estator (reacción del
inducido).
8. El campo magnético resultante
es la suma de los dos campos el
del inductor y el del inducido.
1
2
46
2.2.5 Motor de combustión interna
Un motor de combustión interna, es aquella máquina que extrae la energía química
proveniente de un combustible y la transforma en energía mecánica, su nombre se debe
principalmente a que el fluido de trabajo es el que experimenta la combustión; por otra parte
la liberación de calor y transformación de energía se efectúa al interior del cilindro del motor
y el medio para generar trabajo o combustible, es renovado durante la operación de dicho
motor.
En comparación con otras máquinas como la de vapor, es decir de combustión externa, donde
la transformación de energía se efectúa al exterior de la máquina. El motor de combustión
interna posee grandes ventajas, entre ellas se encuentra que tanto el dimensionamiento cómo
la masa de combustible utilizada para generar una unidad de empuje son mucho menores,
razón por la cual son el principal elemento de plantas motrices en los medios de transporte
de hoy día.
La construcción base de los motores de combustión interna recíprocos, consiste de dos
mecanismos principales que son: el mecanismo de manivela que se encarga de transformar
el movimiento recíproco en movimiento rotatorio y el mecanismo de intercambio de gases
que se encarga de renovar el medio para lograr trabajo mientras que el motor está operando.
Para entender lo anterior, se mostrará la Figura 30 de un motor de combustión interna
recíproco de un Audi RS con 10 cilindros dispuestos en V y de 5.200 cm3, donde se señalan
las piezas principales que comprenden el mecanismo de manivela y el mecanismo de
intercambio de gases que se describieron anteriormente y por consiguiente la descripción de
cada una de dichas piezas.
FIN
9. La tensión en los bornes del
alternador es distinta debido a las caídas
de tensión por las resistencias de los
devanados y por la reactancia síncrona.
2
47
Figura 30. Motor de combustión interna Audi RS - V10 con sus partes principales [33].
A continuación se listan y definen los componentes principales de un motor de combustión
interna tradicional utilizado en vehículos, haciendo referencia a la Figura 27.
1. Cilindro: es el lugar del motor en el que se desplaza el pistón; se le denomina de esta
manera por la forma aproximada a un cilindro geométrico. En los motores de
combustión interna como los que se usan en la industria automotriz, es el recinto
donde se realiza la combustión del combustible.
2. Pistón: elemento que se somete a la combustión del combustible y establece un
parámetro de movimiento rectilíneo, lo anterior con el fin de transmitir la energía de
los gases de combustión a la biela; pero a su vez este elemento sirve como guía para
el pie de biela en su movimiento alternativo.
3. Biela: componente conectada al pistón que se somete a esfuerzos de tracción y
compresión. La biela también está encargada de transformar el movimiento rectilíneo
que recibe por parte del pistón en un movimiento alternativo (arriba – abajo, adelante
– atrás o izquierda – derecha) que se transmite al cigüeñal, dicho proceso se efectúa
mediante la cabeza de la biela debido a que esta se encuentra apretada y en contacto
con el muñón del cigüeñal.
48
4. Cigüeñal: elemento que se encarga de recibir el movimiento alternativo proveniente
del conjunto pistón – biela y lo transforma en movimiento rotatorio; dicho
movimiento es aquel que se transmite al eje de levas y a través de la caja de
velocidades al eje de tracción de los vehículos convencionales. El movimiento
generado por el cigüeñal también es distribuido a todos los elementos secundarios
como alternador, dirección hidráulica, compresor de aire acondicionado, etc.
5. Bujía: elemento que cargado eléctricamente, provee la chispa necesaria para la
combustión de la gasolina. Esto mediante el contacto que existe entre la punta de la
bujía que se encuentra expuesta en la parte superior del cilindro del motor, con la
cabeza del pistón; esto cuando éste último recorre desde el punto muerto interior al
punto muerto superior. La carga eléctrica de la bujía, proviene de la bobina que se
alimenta eléctricamente de la batería del vehículo; dicha carga llega a la bujía a través
de los arneses de cable conocidos como instalación de alta y en otros casos por medio
del distribuidor, dependiendo las características del motor del que se esté hablando.
6. Válvulas: es la parte del motor a pistón que se conforma por una pieza cónica en
forma de tapón, que está unida a una varilla conocida cómo vástago, se clasifican en
válvulas de admisión y válvulas de escape, dichos elementos son los encargados de
abrirse o cerrarse para brindar o restringir el paso de la mezcla combustible-aire, en
el caso de las componentes de admisión y brindar o restringir el paso de los gases de
escape del motor, en el caso de las componentes de escape. El vástago es el encargado
de empujar la pieza cónica hacia abajo y así abrir la válvula para permitir el paso ya
sea de la mezcla o de los gases de escape. Generalmente la válvula está recubierta por
un resorte que se encarga de retornarla a su posición de cierre, cuando el vástago no
está siendo accionado por el eje de levas.
7. Eje de levas: este componente es un eje compuesto por una serie de levas, las cuales
están distribuidas de forma especial con el fin de coordinar los tiempos de apertura y
cierre de las válvulas; dicho elemento trabaja de forma sincronizada con el cigüeñal,
que a su vez, es el que transmite movimiento al eje en cuestión mediante correas,
poleas, cadenas o cualquier otro tipo de transmisión de potencia.
Los motores de combustión interna recíprocos, generalmente se clasifican por el tipo de
combustible usado, la disposición de los cilindros y el ciclo de carrera que utilicen; a
continuación se mostrarán las características de cada una de estas clasificaciones.
2.2.5.1 Clasificación de motores pistón por combustible utilizado
En esta clasificación se encuentran los motores a gasolina y los motores diésel. El
funcionamiento por ciclos de estos motores, hace que sea necesario renovar carga, es decir,
que los gases de escape o los resultantes por la combustión, deban ser reemplazados por
nueva mezcla de aire – combustible al interior del cilindro.
49
2.2.5.1.1 Motor a gasolina (ciclo Otto)
Generalmente se denomina motor a gasolina a los motores de encendido provocado, es decir
que la combustión la hacen a través de la chispa generada por la bujía al contacto con la
cabeza del pistón. La principal característica de estos motores es que están modelados bajo
el ciclo Otto, ciclo en el que teóricamente todo el proceso de aporte de calor o combustión se
efectúa a volumen constante. Las fases de este tipo de motores son (admisión, compresión,
combustión, expansión y escape de los gases).
Figura 31. Representación ciclo térmico Otto.
2.2.5.1.2 Motor Diésel (ciclo Diésel)
En los motores diésel es donde se establece el auto encendido del combustible, lo anterior
por las altas temperaturas y presiones resultantes de la compresión del aire al interior del
cilindro. La combustión de la mezcla combustible – aire en este tipo de motores no requiere
chispa. Su gran diferencia con el motor que funciona en base al ciclo Otto, es que en el ciclo
diésel la adición de calor se efectúa a presión constante. En algunos motores diésel se utiliza
un sistema auxiliar de ignición, con el fin de encender el combustible mientras se inicia el
motor y se alcanzan las temperaturas deseadas. La eficiencia en este tipo de motores supera
entre un 30 y 40 % la eficiencia de un motor a gasolina; sin embargo estos motores tienen un
costo más elevado en cuanto a mantenimiento.
Admisión Escape
Co
mb
ust
ión
VB VA
50
Figura 32. Representación ciclo térmico Diésel.
2.2.5.2 Clasificación de motores pistón por disposición de los cilindros
Tanto en la industria automotriz como en la industria aeronáutica, los motores de combustión
interna se clasifican en base a la disposición de sus cilindros y por ende de sus pistones, de
la anterior preposición surge la siguiente clasificación.
2.2.5.2.1 Motores en V
Estos motores son aquellos que pueden llegar a tener mínimo 2 cilindros y en la actualidad se conocen
de hasta 24 cilindros, la característica de este tipo de motores es que forman una V entre los pistones
tal y como se observa en la Figura 33, es decir que la mitad de los cilindros que posee, se verán
inclinados en un ángulo positivo respecto a la vertical y los cilindros restantes estarán inclinados en
un ángulo negativo respecto a la misma vertical, por ejemplo con 6 cilindros (3 y 3), con 8 cilindros
(4 y 4) y así con la cantidad de cilindros disponibles en el motor.
Figura 33. Disposición de cilindros/pistones en V [34].
Combustión
Admisión Esc
ap
e
VB VA VC
51
2.2.5.2.2 Motores en línea
Estos motores son aquellos que generalmente poseen 2, 4 y hasta 6 cilindros. La característica
principal es que sus cilindros están dispuestos en línea, lo que significa que la inclinación de
los cilindros es de 90° respecto a la horizontal. Aplicación usual en industria automotriz.
Figura 34. Disposición de cilindros/pistones en línea [35].
2.2.5.2.3 Motores radiales
Estos motores son aquellos que tienen 5 o más cilindros de cantidad impar, lo anterior con el
fin de garantizar un correcto funcionamiento. La disposición de dichos cilindros es en forma
de estrella y transmiten el movimiento a través de una biela maestra. Aplicación usual en
aviación y algunas motocicletas de alto rendimiento.
Figura 35. Disposición de cilindros/pistones en forma radial [36].
52
2.2.5.2.4 Motor rotativo
Este motor tiene la misma disposición de cilindros de un motor radial, la gran diferencia con
el ya mencionado, es que el cigüeñal en el motor rotativo permanece estático mientras que el
motor entero gira alrededor del mismo. Aplicación usualmente en aviación.
Figura 36. Disposición de Cilindros/Pistones en forma Rotativa [37].
2.2.5.2.5 Motor de cilindros opuestos
Los cilindros de este motor se encuentran formando un ángulo de 180° entre sí, la cantidad
de cilindros puede oscilar entre 2 y 12 cilindros. Este motor fue usualmente utilizado en los
principios de la industria automotriz e industria aeronáutica, también en vehículos actuales
de alto rendimiento.
Figura 37. Disposición de cilindros/pistones en oposición [38].
53
2.2.5.3 Clasificación de motores pistón por ciclo de carrera
Básicamente los motores a pistón funcionan en ciclos de carrera de 2 y 4 tiempos, los cuales
se definirán a continuación.
2.2.5.3.1 Motores de 2 tiempos (2T)
1 (Tiempo) 2 (Tiempo)
Figura 38. Funcionamiento de motores de 2T [39].
En este tipo de motores se establecen los 4 procesos de un motor de combustión interna
(admisión, compresión, expansión y escape); pero en un solo giro del cigüeñal o en un solo
movimiento completo del pistón hacia arriba y hacia abajo [40]. En el tiempo denominado 1
en estos motores, se establece el proceso de (Admisión – Compresión). En el cual el pistón
luego de alcanzar el punto muerto inferior, comienza a desplazarse hasta el punto muerto
superior formando un vacío que permite la entrada de la mezcla a la cámara de combustión,
luego de que entra mezcla en el cilindro, el pistón comienza a comprimir hasta llegar por
completo al punto muerto superior.
En el tiempo denominado 2 en estos motores, se establece el proceso de (Expansión – Escape
de Gases). En el momento que la cabeza del pistón toca la bujía y se genera la chispa, la
mezcla se inflama y los gases comienzan a expandirse, retornando el pistón al punto muerto
inferior. En este preciso instante los gases comienzan a buscar salida y los únicos ductos
abiertos son los de escape, lo que permite que la gran mayoría de gases salgan del motor.
Los motores 2T son menos eficientes porque es menos la cantidad de gases que pueden
extraer, sin embargo para una misma cilindrada en comparación con un motor 4T, generan
más par de fuerza debido a que realizan una explosión por cada revolución del cigüeñal,
mientras que en un 4T se hace un explosión cada dos revoluciones del cigüeñal, tal y como
se explica en la siguiente sección.
54
2.2.5.4 Motores de 4 tiempos (4T)
Figura 39. Funcionamiento de motores de 4T [41].
En los motores de 4T en el tiempo 1, el pistón se desplaza hacia el punto muerto inferior y la
válvula de admisión permanece abierta permitiendo la aspiración de mezcla hacia el cilindro.
En el tiempo 2, las válvulas permanecen cerradas mientras el pistón comprime la mezcla
dirigiéndose hacia el punto muerto superior. En el tiempo 3 luego de que se genera la
combustión, el pistón se dirige hacia el punto muerto inferior como resultado del aumento de
presión y en el tiempo 4, el pistón retorna hacia el punto muerto superior; pero las válvulas
de escape se abren permitiendo la expulsión de todos los gases resultantes de la combustión.
55
2.2.6 Componentes secundarios
En esta sección se describirán los componentes secundarios o auxiliares de la planta motriz;
básicamente se estudiará el sistema de encendido a partir de un motor de arranque para el
motor a pistón, el sistema de escape y por último los acoples y sellos que se ubican entre el
exosto y el ducto de salida de gases del motor a pistón, que son elementos que evitan fugas
y baja eficiencia debido a la pérdida de presión en el sistema encargado de extraer al medio
ambiente los gases de escape que se producen al interior del motor.
2.2.6.1 Motor de arranque
El motor de arranque es un dispositivo que convierte la energía eléctrica que se le suministra
en energía mecánica, con esta energía se espera dar la inercia necesaria para que el motor a
pistón inicie el proceso de combustión.
Es necesario que este motor produzca una potencia lo suficientemente alta para poder romper
con gran facilidad la inercia mencionada anteriormente, por este motivo los motores de
arranque cuentan con una caja reductora que disminuye las rpm y aumenta el par de fuerza
que es necesario aplicar.
Este componente consiste básicamente en un motor de corriente continua y aparte posee un
contacto que se encarga de cerrar el circuito, permitiendo accionar el sistema (flujo de
corriente). La alimentación para este componente viene directamente de una batería que
permite iniciar el funcionamiento. Los motores de arranque que se encuentran actualmente
en el mercado tienen un sistema de electroimán que es capaz de funcionar en corriente
continua. Cuando se aplica la corriente al motor mediante un sistema de ignición que
anteriormente fue llamado “contacto”, el motor de arranque acopla un piñón con el motor del
vehículo y en el momento que la planta motriz se encuentra en funcionamiento, el contacto
se deja de accionar y el motor de arranque deja de funcionar; esto con el desacople y
retracción del piñón del motor de arranque que deja atrás el contacto con el motor del
vehículo.
2.2.6.1.1 Partes del motor de arranque
El siguiente listado de piezas, es aquel que en su totalidad llega a formar un motor de arranque
como el mostrado en la Figura 40, y así constituir junto con otras piezas un sistema de
encendido.
Contacto: es el encargado de coordinar el proceso de salida del piñón y arranque del
motor eléctrico para poner en marcha el motor a combustión.
56
Horquilla: es el mecanismo que mueve el piñón.
Piñón: es el elemento que engrana en la corona o volante del motor a pistón.
Mecanismo de rueda libre: es un embrague que en caso de que el piñón quede
engranado en la corona, éste comience a girar y no arrastre al motor de arranque
completo en su giro.
Estator: es la parte fija donde van sujetos los electroimanes inductores que generan
el campo magnético que hace girar el piñón que se engrana en el motor a pistón.
Rotor: Es la parte móvil donde se encuentra el tambor con las bobinas inducidas, el
colector, y el eje que se apoya en los cojinetes y a su vez desplaza al piñón.
Escobillas y porta escobillas: situados en la parte trasera, el porta escobillas a través
de los muelles, asegura la correcta fijación de las escobillas al colector.
Figura 40. Partes del motor de arranque [42].
2.2.6.2 Sistema de escape
El sistema de escape es aquel que tiene la función de extraer todos los gases resultantes de la
combustión en el motor a pistón. Este sistema utiliza como componente principal el tubo de
escape.
57
2.2.6.2.1 Tubo de Escape
Este elemento es el que dirige y direcciona los gases del interior del motor a pistón al medio
ambiente; el buen diseño de un tubo de escape como el mostrado en la Figura 41, podría
asegurar un mejor rendimiento y comportamiento de la planta motriz como conjunto.
El componente en cuestión también garantiza una disminución de la temperatura de los gases
a la salida hacia el medio ambiente y disminuye el ruido que emite el motor. Los tubos de
escape están compuestos generalmente por un colector de escape como el mostrado en la
Figura 42, que es el encargado de recoger todos los gases y dirigirlos a un dispositivo de
evacuación, si no es suficiente la reducción del ruido que se busca, se puede implementar el
uso de un material silenciador a lo largo del tubo colector, el cual se encargará de disminuir
el ruido que se va propagando a lo largo de dicho tubo.
Figura 41. Tubo de escape [43].
Figura 42. Colector de escape de un motor de 6 cilindros [44].
2.2.6.3 Sellos y/o acoples al motor a pistón
Este componente es el que se encarga de sellar por completo los espacios que pueden llegar
a establecerse entre el ducto de salida de gases del motor de combustión interna y el colector
de escape. Es importante que no se dejen espacios a la hora de alcanzar las temperaturas
comunes a las que trabaja el motor, lo anterior, porque en caso de existir fugas en este sistema,
58
se aporta al incremento en la temperatura total de la planta motriz del vehículo. Por otro lado,
el ruido que puede llegar a generar el motor de combustión interna se incrementa y por
último, la eficiencia del motor disminuye debido a que no se extraen en su totalidad los gases
de escape de la cámara de combustión o cilindro.
59
3. METODOLOGÍA
3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN
El enfoque de investigación a usar en este proyecto es de carácter EMPÍRICO – ANALÍTICO
debido a que la investigación es más de tipo técnico y la interpretación del fenómeno a
estudiar es basada en ciertos sistemas que combinan física, química y mecánica. La manera
de lograr esta interpretación es mediante las funciones que se apoyan en la matemática desde
el punto de vista ingenieril, por lo cual será necesario aplicar técnicas cómo análisis
computacional, cálculos, observación o cualquier otra actividad representativa que brinde
resultados previos y así obtener un fuerte apoyo teórico acompañado de un buen manejo
matemático y por último llevar a cabo una parte experimental, en la que se realicen
caracterizaciones de los componentes y así tener en cuenta aspectos importantes como las
pérdidas de rendimiento por la densidad del aire a las diferentes alturas de los puntos
geográficos, rozamiento entre componentes, viabilidad de los sistemas y conceptos
utilizados, dimensionamiento y espaciamiento real así como la verificación experimental de
los resultados obtenidos a partir del desarrollo del proyecto.
3.2 LÍNEA DE FACULTAD / CAMPO TEMÁTICO DEL PROGRAMA
Energía y vehículos / sistemas de propulsión / motores híbridos.
3.3 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN
El tipo de recolección de información en este proyecto investigativo es una parte mediante
análisis computacional para generar la programación de elementos como descarga de
condensadores, sincronización del motor de combustión interna, consumos energéticos del
motor eléctrico, etc. También es necesario el uso de instrumentos de medición tales como
cronómetro, multímetro, calibrador, metro y entre otros elementos que brinden información
importante para el desarrollo de dicho proyecto. Por último adquirir datos de performance y
configuración brindados por el fabricante de ciertos motores de combustión interna tales
como la potencia máxima a unas rpm y el par máximo a unas rpm.
3.4 PROCESO A SEGUIR
Se decidió utilizar un proceso piramidal para el diseño y la selección de los componentes que
harán parte de la planta motriz del vehículo; donde en la sección que se asemeja a la base de
dicha pirámide, se ubicarán las necesidades que se deben satisfacer y que a su vez son
requeridas para el proceso; tales como: cálculos, ubicación espacial y aplicabilidad en el
proyecto. Luego se procederá a avanzar en los escalones de dicha pirámide, para así ir
60
depurando la información que se va obteniendo de la investigación, ejecutar un estudio de
mercado del componente que se está trabajando, comparar los elementos y por último
seleccionar o diseñar lo que resulte del punto más alto de la pirámide, para así empezar
caracterizar el conjunto que conformara la planta motriz.
3.5 ALTERNATIVA DE SOLUCIÓN
Se plantea que luego de conocer el problema de investigación y la necesidad que se debe
satisfacer; es necesario el uso de componentes en capacidad de suplir la energía mecánica y
eléctrica que se necesiten para el sistema de propulsión, lo anterior aprovechando la energía
química que otorga la competencia; con dicho fin se pretende hace uso de un motor de
combustión interna de 4 tiempos de no más de 50 cc que haga girar el eje de un alternador.
De esta manera se permite la carga energética de una serie de capacitores con capacidad
tentativa de 2000 mAh (súper capacitores). Con este, se alimentará un motor eléctrico de tipo
rotomax ya sea el modelo 50cc, 80cc o 100cc, modelos en los que se permite asociar el motor
eléctrico con la potencia en base a la cilindrada, que puede llegar a brindar un motor de
combustión interna. Los motores eléctricos rotomax otorgan potencia en intervalos de 5300
W a 8000 W, los cuales se utilizan para dar la propulsión al vehículo urbano aplicado a la
competencia Eco Shell, dicho vehículo tendrá un peso inferior a los 200 kg manejando todo
tipo de optimizaciones en cuanto a materiales. El peso descrito anteriormente no tiene en
cuenta el peso del piloto.
NOTA: El motor de combustión interna estará encendido por lapsos cortos de tiempo
mientras se hace la carga de los súper capacitores.
3.6 VARIABLES
3.6.1 Variables independientes
Torque.
Velocidad.
Aceleración.
Potencia.
Revoluciones por minuto.
Diámetro de salidas de escape.
Diámetro de las ruedas.
Peso de los componentes del sistema de propulsión.
Capacidad de combustible.
61
3.6.2 Variables dependientes
Tiempo de carga.
Tiempo de descarga.
Cilindraje del motor a pistón.
Potencia eléctrica del motor eléctrico.
Capacidad de los súper capacitores.
Torque del alternador.
Distancias de mecanismos de transmisión de potencia.
62
4. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
En esta sección, se establecerán las tareas necesarias para llevar a cabo el cumplimiento de
todos los objetivos planteados en el proyecto y a su vez, se relaciona la tarea con su duración
y ubicación cronológica.
Tarea N° Nombre de tarea Duración Semana Mes
1 Realizar el diseño base
"prototipo" del vehículo. 5 días 1
Agosto
2
En base al diseño base del
vehículo establecer el volumen
de control para la planta motriz.
5 días 2
3
Establecer parámetros y
requerimientos iniciales de la
planta motriz.
15 días 2 a 3
4
Analizar ejes y seleccionar el
que cumpla con las
características requeridas por el
(diseño base) y a su vez
parámetros como peso, torque,
potencia, rpm, etc.
5 días 3
5 Estudiar los tipos de
transmisión de potencia. 6 días 3
6 Estudiar pros y contras del uso
de cadenas y correas. 6 días 4
7 Realizar el estudio de
engranajes y piñones. 6 días 4
8 Estudiar el funcionamiento de
motores eléctricos. 4 días 5
Septiembre
9
Analizar potencia, torque y rpm
según energía eléctrica
suministrada.
4 días 5
10
Realizar el estudio del mercado
de motores eléctricos y
especificaciones del mismo en
manuales y data sheets.
5 días 6
11
Realizar el plano de conexión
entre el eje del motor eléctrico
y el eje de tracción del
vehículo.
5 días 7
63
Tarea N° Nombre de tarea Duración Semana Mes
12 Estudiar los súper capacitores
respecto a funcionamiento. 5 días 8 Septiembre
13
Analizar la capacidad del súper
capacitor para almacenamiento
de energía.
5 días 9
Octubre
14 Calcular el tiempo de descarga
del súper capacitor. 5 días 9
15
Realizar un estudio del mercado
de súper capacitores y
especificaciones de los mismos.
5 días 10
16 Estudio del funcionamiento de
alternadores. 5 días 11
17
Analizar la cantidad de carga
transformada según rpm y
torque necesario para
alcanzarlas.
5 días 11
18
Realizar el estudio del mercado
de alternadores y
especificaciones de los mismos
dadas por el fabricante. Junto
con el tiempo de carga del
ultracapacitor.
5 días 12
19
Estudiar el funcionamiento de
motores recíprocos de cuatro
tiempos.
5 días 13
Noviembre
20
Analizar el torque, rpm y
consumo obtenidos según
cilindraje del motor.
10 días 13 a 14
21
Analizar el mercado existente
en motores de bajo cilindraje
pero con funcionamiento
basado en 4 tiempos.
5 días 14
22
Estudiar los sistemas de
encendido del motor y su
funcionamiento.
5 días 15
23 Aplicar la fuente de energía
para el sistema de encendido. 5 días 15
24
Estudiar los materiales para el
tanque de combustible respecto
a corrosión y humedad.
5 días 16
64
Tarea N° Nombre de tarea Duración Semana Mes
25
Analizar sistema de suministro
del combustible al motor
recíproco.
5 días 16
Noviembre
26 Realizar el plano del sistema de
combustible. 5 días 17
½ Diciembre -
½ Enero
27
Estudiar los materiales
adecuados en cuanto a peso y
resistencia para el sistema de
escape.
5 días 18
28 Realizar el análisis de los
acoples y sellos al motor. 5 días 18
29 Realizar el plano del sistema de
escape. 5 días 19
30 Establecer el motor eléctrico
seleccionado en CAD. 10 días 10 a 11 ½ Octubre
31 Establecer el motor recíproco
seleccionado en CAD. 10 días 15 a 16 ½ Noviembre
32 Establecer los súper capacitores
seleccionados en CAD. 5 días 21
¾ Febrero
33
Establecer el dispositivo
alternado seleccionado en
CAD.
5 días 21
34
Establecer el sistema de
conexión de ejes diseñado en
CAD.
5 días 22
35 Establecer el sistema de escape
diseñado en CAD. 5 días 22
36 Establecer el sistema de
combustible diseñado en CAD. 5 días 22
37
Establecer el acople virtual de
todos los componentes
previamente seleccionados y
diseñados mediante software
computacional de diseño.
6 días 23
38 Estado del arte, redacción y
forma de documento final 135 días 1 a 23
Agosto - ¾
Febrero
Tabla 2. Listado de actividades.
65
Figura 43. Diagrama de Gantt para las actividades.
01/08/2013 20/09/2013 09/11/2013 29/12/2013 17/02/2014
Tarea 1Tarea 2Tarea 3Tarea 4Tarea 5Tarea 6Tarea 7Tarea 8Tarea 9
Tarea 10Tarea 11Tarea 12Tarea 13Tarea 14Tarea 15Tarea 16Tarea 17Tarea 18Tarea 19Tarea 20Tarea 21Tarea 22Tarea 23Tarea 24Tarea 25Tarea 26Tarea 27Tarea 28Tarea 29Tarea 30Tarea 31Tarea 32Tarea 33Tarea 34Tarea 35Tarea 36Tarea 37Tarea 38
66
5. DESARROLLO INGENIERIL
5.1 LÍNEA BASE
5.1.1 Vehículo
Se entiende como línea base el punto de partida del proyecto, ya que es el modelo de inicio
del vehículo, en el cual se establecen los parámetros más relevantes del mismo. Esta línea
base muestra el diseño general y acotado del vehículo como: la altura total, la altura respecto
al suelo, el ancho y largo máximo del carro, distancia entre ejes, etc.
5.1.1.1 Modelo y Medidas Generales del Vehículo
Para la toma de decisiones con respecto a las medidas generales, el grupo completo de la
competencia Eco Shell Marathon de la Universidad de San Buenaventura se reunió y definió
cada una de las medidas del vehículo, con el objetivo de cumplir las normas descritas en la
normativa de la competencia (Referirse al marco normativo 2,1).
De acuerdo a la libertad del diseño propio a realizar, el modelo base del vehículo cumple con
las condiciones iniciales otorgadas por la competencia. La Figura 44 muestra el volumen de
control en 3D, donde se pueden observar las medidas del ancho, largo y alto del vehículo a
diseñar.
Figura 44. Isométrico del diseño base. Unidades en metros.
67
Las Figuras 44a y 44b permiten observar las dimensiones que se decidieron utilizar para el
modelo, tales como, altura y longitud máxima del vehículo, distancia entre ejes, longitud de
las ruedas, altura con respecto al suelo.
(a)
(b)
Figura 44a y 44b. Dimensiones del vehículo: a) vista lateral y b) vista frontal.
Unidades en metros.
5.1.1.2 Modelo y medidas generales del vehículo preliminar
El grupo de investigación Green Energy GIMOC, presentó ante la Dirección de
Investigaciones en la convocatoria 008, el proyecto titulado “Diseño de un Vehículo
Concepto Urbano Aplicado a la Competencia Shell Eco – Marathon (Fase I)”. Este proyecto
esta subdividido en los siguientes grupos de trabajo, los cuales hacen parte de diferentes
proyectos de grado aprobados por el programa de Ingeniería Aeronáutica: división de
aerodinámica, división de sistemas de propulsión, división de motor recíproco, división de
estructuras y división de sistemas [45].
De acuerdo con el volumen de control establecido y a los objetivos planteados al inicio del
proyecto, la división de aerodinámica fue la encargada de la representación digital y
diagramación del vehículo en dos y tres dimensiones; basando su modelo en la reducción de
68
la resistencia al avance y dando una forma aerodinámica conlleve a una reducción del
consumo de combustible y cumpla con los objetivos propuestos al inicio de la investigación.
De acuerdo a simulaciones en CFD realizadas en los bocetos 2D se obtuvo el volumen de
control mostrado en la Figura 45.
Figura 45. Isométrico del diseño preliminar.
En las Figuras 46a, 46b y 46c se muestran las dimensiones más relevantes del modelo como:
altura máxima del vehículo, ancho del vehículo, distancia entre ejes, entre otras.
Figura 46. Dimensiones del vehículo: a) vista de techo, b) vista lateral y c) vista frontal.
Unidades en metros.
69
5.1.2 Planta motriz
Así como la competencia establece los límites máximos sobre el dimensionamiento de todo
el vehículo, fue necesario constituir un volumen de control o espacio dimensionado para la
planta motriz en la cual se ubica el sistema de propulsión; necesidad de donde surge el diseño
planteado en la Figura 47; que a su vez es el sitio donde reposaran y se ensamblarán todos
los componentes de la planta motriz del vehículo urbano.
(a) (b)
(c)
Figura 47. a) Volumen de control de la planta motriz, b) volumen de control con cotas
(unidades en metros) y c) ubicación del volumen de propulsión en el vehículo.
70
La ubicación del volumen de control de la planta motriz en el vehículo urbano que se presentó
anteriormente en la Figura 47c, surge a partir del espacio que se otorgó para la distribución
de todos los componentes necesarios para brindar movimiento y torque al vehículo. Este
espacio viene dado por el acuerdo mutuo de cada una de las divisiones del proyecto de
investigación.
Se definió la altura que existe desde el suelo hasta el volumen de control de la planta motriz,
a partir de la ubicación del eje de tracción y el diámetro externo del conjunto rueda – rin. En
cuanto a la ubicación lateral, se limitó desde el punto más alto de la curvatura que forma el
boceto del vehículo, hasta el punto de la parte trasera en que se va a ubicar el eje de tracción.
Para la geometría del volumen de control de la planta motriz que se muestra en la Figura 47a,
se utilizó como factor determinante la curvatura que presenta el vehículo en su parte superior
y transversalmente, por la reducción que existe entre el ancho delantero y el ancho trasero
del vehículo.
A continuación se presentará un mapa conceptual en el que se encuentran los pasos y
explicación, de todos y cada uno de los cálculos que se van a establecer para el diseño de
todo el conjunto de la planta motriz. Este mapa tiene como fin brindar una guía tanto al lector
como al diseñador, para que se facilite la relación de todo lo que se va desarrollando a lo
largo del trabajo de grado.
Cálculos
De acuerdo a las reglas
de la competencia, se
procede a plantear el
peso y velocidad del
vehículo urbano.
De acuerdo a la selección de las
ruedas dentadas o en general el
tipo de trasmisión que se elija, se
procederá a calcular la potencia
necesaria que deberá ejercer el
motor para satisfacer las
necesidades y requerimientos.
Teniendo en cuenta el
motor eléctrico que se
seleccione se precede a
plantear los requisitos
para la selección de una
batería.
Con el peso se
procede a calcular el
torque necesario para
dar movimiento al
vehículo.
Cálculo de los
esfuerzos a los que se
ve sometido el eje, y
dimensiones con las
que contará dicho eje.
Luego de seleccionar la
batería, es necesario
calcular el tiempo de
carga y descarga de este
elemento de acuerdo a la
capacidad de Amperios
por hora.
1
71
Figura 48. Mapa conceptual de explicación de cálculos.
5.2 PARÁMETROS Y REQUERIMIENTOS INICIALES DE LA PLANTA
MOTRIZ.
5.2.1 Torque
Para proceder con los cálculos del torque, es necesario establecer un diagrama de cuerpo libre
que permita entender la posición y dirección de las fuerzas actuantes en el sistema. El
diagrama que se muestra en la Figura 49, hace referencia a los apoyos del vehículo, es decir
a sus ruedas y sus ejes. Por otro lado, se analiza suponiendo que el centro de gravedad se
encuentra en el centro geométrico del rectángulo formado por las 4 llantas al contacto con el
suelo.
Figura 49. Diagrama de cuerpo libre del vehículo.
Se analizarán varios alternadores del
mercado y teniendo en cuenta las
necesidades de carga de la batería, se
seleccionará un alternador en base a
su curva de rendimiento.
Luego de tener seleccionado tanto el
motor eléctrico cómo el alternador, se
procederá a realizar los cálculos de
descarga y carga de la batería.
De acuerdo al alternador seleccionado, se
procede a analizar los motores de
combustión interna que sean de bajo
cilindraje y que se encuentren en el
mercado, esto con el fin de saber cuál se
encuentra en capacidad de brindar los
requerimientos impuestos por el alternador.
Para finalizar el proceso y
luego de tener todos los
componentes seleccionados,
es necesario calcular el
consumo de combustible de
toda la planta motriz como
sistema.
1
72
Estimaciones iniciales.
Los siguientes datos permiten el cálculo de las principales fuerzas actuantes en el vehículo
aplicado a la competencia Eco Shell. Por otro lado, variables como la velocidad y la masa
están limitadas por la normatividad de dicha competencia.
𝑚 = 280 𝑘𝑔
𝑉 = 15 𝑚𝑝ℎ
𝑡 = 1 𝑠
∅ = 18 𝑖𝑛
donde, 𝑚 corresponde a la masa del vehículo, 𝑉 a la velocidad a la que opera el vehículo, 𝑡
el tiempo que se demora el vehículo en ponerse en marcha y ∅ el diámetro de la rueda.
En la Tabla 3 se muestran los coeficientes de fricción tanto estática (reposo) cómo dinámica
(movimiento), que existen entre diferentes tipos de materiales. Estos valores son necesarios
para establecer un correcto cálculo de las fuerzas de fricción a las que está sometido el
vehículo en conjunto.
Materiales Coef. fricción estática
[𝝁𝑺] Coef. fricción cinética
[𝝁𝒌] Acero – Acero 0,74 0,57
Aluminio – Acero 0,61 0,47
Caucho – Concreto 1,0 0,8
Cobre – Acero 0,53 0,36
Cobre – Vidrio 0,68 0,53
Hielo – Hielo 0,1 0,03
Latón – Acero 0,51 0,44
Madera – Madera 0,25 – 0,5 0,2
Teflón – Acero 0,04 0,04
Teflón – Teflón 0,04 0,04
Vidrio – Vidrio 0,94 0,4
Zinc – Hierro Colado 0,85 0,21
Tabla 3. Coeficientes de fricción estático y dinámico [46].
Como la relación de materiales que se tendrá en el vehículo urbano, es entre el caucho de las
ruedas y el concreto o asfalto de la pista, se utilizarán los siguientes coeficientes de fricción.
𝜇𝑆 = 1,0
𝜇𝑘 = 0,8
73
Al tener el centro de gravedad (C.G.) en el centro geométrico de la figura formada por la base
del vehículo; es decir conjunto de ejes y ruedas, se puede establecer que cada una de las
reacciones en los apoyos tiene el mismo valor.
Resultados de torque.
Los resultados mostrados a continuación se calcularon en base al ANEXO A. Diagrama de
flujo para cálculo de parámetros iniciales y requerimientos a satisfacer por la planta motriz.
𝑃𝑜 = 1,4363 [𝑚] = Perímetro de la rueda.
𝑊 = 2745,96 [𝑁] = Peso del vehículo incluyendo tripulante.
𝑅 = 686,49 [𝑁] = Fuerza de reacción.
𝐹𝑓𝑠 = 2745,96 [𝑁] = Fuerza de fricción estática con factor de seguridad 2.
𝐹𝑓𝑘 = 2196,77 [𝑁] = Fuerza de fricción cinética con factor de seguridad 2.
𝐹𝑓𝑠′ = 2059,47 [𝑁] = Fuerza de fricción estática con factor de seguridad 1,5.
𝐹𝑓𝑘′ = 1647,585 [𝑁] = Fuerza de fricción cinética con factor de seguridad 1,5.
𝜔 = 280,11 [𝑟𝑝𝑚] = Velocidad angular.
𝛼 = 4,67 [𝑟𝑒𝑣 𝑠2⁄ ] = Aceleración angular.
Se llevó a cabo un análisis de torque tanto estático como dinámico, pero a su vez con un
factor de seguridad 2 (estimando que el de tracción va a soportar el peso completo del
vehículo) y con un factor de seguridad de 1.5 (factor de seguridad usado en la industria
aeronáutica). Todo esto con el objetivo de analizar, cuál de todos los resultados es el más
crítico y así poder establecer un punto de partida para todos los requerimientos que la planta
motriz debe satisfacer.
Torque con factor de seguridad (2) Torque con factor de seguridad (1,5)
Torque mecánico estático Torque mecánico estático
𝑇𝑆= 627,73 [N∙m ] 𝑇𝑆′ = 470,79 [N∙m ]
Torque mecánico cinético Torque mecánico cinético
𝑇𝑘 = 502,18 [N∙m ] 𝑇𝑘′ = 376,63 [N∙m ]
Tabla 4. Torque mecánico.
74
Por otro lado, se establecieron cálculos de torque de inercia con el fin de conocer la fuerza
necesaria para iniciar el movimiento del vehículo urbano; es decir, romper su inercia de masa.
𝑇𝑖 = 68,31 [𝑁 ∙ 𝑚] = Torque de Inercia.
5.2.2 Potencia
Luego de obtener valores de torque, es necesario saber que potencia se necesita para llegar a
obtener dicho torque. En la Tabla 5 se muestran los resultados de potencia obtenidos a partir
del ANEXO A.
POTENCIA
Potencia mecánica (𝑭𝑺) 𝑃𝑆 = 2930,56 𝑊 = 3,91 ℎ𝑝
Potencia mecánica (𝑭𝑺′) 𝑃𝑆′ = 2197,92 𝑊 = 2,93 ℎ𝑝
Potencia (𝑻𝒊) 𝑃𝑖 = 318,91 𝑊 = 0,42 ℎ𝑝
Tabla 5. Valores de potencia calculados.
Teniendo en cuenta los valores obtenidos para las diferentes potencias planteadas; se decide
utilizar el valor correspondiente a la potencia en función de la fuerza de fricción estática,
debido a que éste, es el valor más crítico al que se verá expuesto el eje de tracción.
5.3 EJE DE TRACCIÓN
Es necesario establecer el diseño de un eje en base a los requerimientos adoptados por la
planta motriz del vehículo urbano, ya que dicho elemento será el encargado de soportar tanto
la potencia como el torque entregados por el sistema propulsor, el cual junto con las ruedas,
son los elementos que establecen el movimiento del vehículo. Para dimensionar el eje de
tracción del motor híbrido, se recurrirá al planteamiento matemático propuesto en el libro
“Diseño en Ingeniería Mecánica de Shigley” [47].
Buscando el buen dimensionamiento del elemento tractor, se opta por implementar un eje
fabricado en aleación de acero AISI 4140; dicho material se seleccionó para incrementar la
resistencia y de esta manera reducir notablemente la falla por fatiga. Además en comparación
con otros aceros como AISI 1020, AISI 3140-50, entre otros, es más fácil de mecanizar, tiene
mejores propiedades mecánicas y por último su peso es uno de los más livianos. Para los
cálculos del proyecto se utilizó cómo resistencia mínima a la tensión del acero AISI 4140 un
valor de 655 MPa. En el ANEXO B se podrán encontrar especificaciones como composición
química y las aplicaciones más comunes de dicho acero.
75
Teniendo claro el material del cual estará compuesto el eje, se procede a buscar los
parámetros iniciales con los que se diseñará dicho componente y basándose en las
propiedades tanto del elemento, como del proceso de manufactura del mismo [48].
El planteamiento del eje que se muestra en la Figura 50, obedece a la distribución de las
cargas con sus respectivas reacciones en el eje de tracción, donde W1 y W2; están situadas
en el lugar que se prevé irán instalados los apoyos de sujeción entre el chasis del vehículo y
dicho eje; en cuanto a las reacciones Ry1 y Ry2, corresponden a la fuerza de reacción que
ejerce el suelo sobre las ruedas del vehículo.
Figura 50. Diagrama de cuerpo libre del eje de tracción del vehículo.
𝑊 = 𝑊1 + 𝑊2 =280 𝑘𝑔 · 9.81 𝑚 𝑠2⁄
2= 1373.4 𝑁
En principio se supondrá, que el centro de gravedad está ubicado en el centro geométrico del
vehículo por lo que:
𝑊1 = 𝑊2 = 686.7 𝑁
∑ = 0𝐹𝑦
𝑅𝑦1 = 𝑅𝑦2 = 686.7 𝑁
76
Diagrama V y M.
Corte 1 [𝐸𝑣𝑎𝑙𝑢𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 0 − 0.1]
∑ = 0 = 𝑅𝑦1 − 𝑉1𝐹𝑌
𝑅𝑦1 = 𝑉1 = 686.7 𝑁
∑ = 0 = −(𝑅𝑌1𝑀
· 𝑥) + 𝑀1
𝑀1 = 𝑀[0.1] − 𝑀[0] = 68.67 𝑁 · 𝑚 − 0
𝑀1 = 68.67 𝑁 · 𝑚
Corte 2. [𝐸𝑣𝑎𝑙𝑢𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 0.1 − 0.7]
∑ = 0 = 𝑅𝑦1 − 𝑉2 − 𝑊1𝐹𝑌
𝑉2 = 0 𝑁
∑ = 0 = −(𝑅𝑌1𝑀
· 𝑥) + (𝑊1 · (𝑥 − 0.1)) + 𝑀2
𝑀1 = 𝑀[0.7] − 𝑀[0.1] = 68.67 𝑁 · 𝑚 − 68.67 𝑁 · 𝑚
𝑀2 = 0 𝑁 · 𝑚
𝑉1
𝑀1
𝑅𝑌1 𝑥
𝑀2
𝑅𝑌1 𝑥
𝑉2 𝑊1
77
Corte 3 [𝐸𝑣𝑎𝑙𝑢𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 0.7 − 0.8]
∑ = 0 = 𝑅𝑦2 + 𝑉3𝐹𝑌
𝑉3 = −686.7 𝑁
∑ = 0 = (𝑅𝑌2𝑀
· (0.8 − 𝑥)) − 𝑀3
𝑀1 = 𝑀[0.8] − 𝑀[0.7] = 0 𝑁 · 𝑚 − 68.67 𝑁 · 𝑚
𝑀3 = −68.67 𝑁 · 𝑚
Figura 51. Diagrama de fuerza cortante en el eje.
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
FUER
ZA C
OR
TAN
TE [
N]
LONGITUD DEL EJE [M]
𝑀3
𝑅𝑌2 0.8 − 𝑥
𝑉3
78
Figura 52. Diagrama de momento flector en el eje.
𝑉 = 686.7 𝑁
𝑀 = 68.67 𝑁 · 𝑚
A partir de los resultados obtenidos anteriormente de fuerza cortante y momento flector (V
y M), se procede a establecer los cálculos necesarios para obtener el diámetro del eje,
teniendo en cuenta que se utilizaron los valores más críticos.
Estimaciones iniciales.
Es necesario realizar las estimaciones iniciales presentadas en la siguiente tabla, debido a que
es el proceso indicado en el libro “Diseño en Ingeniería Mecánica de Shigley” [47]; para el
cálculo y dimensionamiento del eje de tracción del vehículo urbano.
Factor Símbolo Valor
1 𝐾𝑡𝑖 3,0
2 𝐾𝑡𝑠𝑖 4,0
3 𝑎 4,5 MPa
4 𝑏 -0,265
5 𝑆𝑢𝑡 655 MPa
6 𝐾𝑏 0,9
7 𝐾𝑐 1
8 𝐾𝑑 1
9 𝐾𝑒 1
10 𝐾𝑓𝑒 1
Tabla 6. Constantes de diseño para el cálculo del Eje.
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
MO
MEN
TO F
LEC
TOR
[N
·M]
LONGITUD DEL EJE [M]
79
Los factores 1 y 2 de la anterior tabla se obtuvieron mediante las Figuras 53 y 54 mostradas
a continuación; para la comprensión de dichos valores, se debe tener en cuenta que el eje es
macizo, por lo que el valor de 𝑑 es igual a cero y de esta manera la relación 𝑑/𝐷 también
equivale a cero.
Figura 53. Determinación de 𝐾𝑡𝑠 (Factor de concentración de esfuerzo cortante teórico) [49]
Figura 54. Determinación de 𝐾𝑡 (Factor de concentración de esfuerzo normal teórico) [50]
80
Los factores 3 y 4 nombrados en la Tabla 6, están basados en el acabado superficial del
material escogido y son extraídos de la Tabla 7; se debe tener en cuenta que el eje de tracción
del vehículo urbano es maquinado, con el fin de darle su forma geométrica.
Acabado Superficial Factor a Exponente
b Sut kpsi Sut MPa
Esmerilado 1.34 1.58 -0.085
Maquinado o laminado en
frío 2.7 4.51 -0.265
Laminado en caliente 14.4 57.7 -0.718
Como sale de la forja 39.9 272 -0.995
Tabla 7. Determinación de factor a y exponente b (Términos necesarios para
dimensionamiento del eje mediante ANEXO C). [51]
El factor 5, depende principalmente del material por el cual está compuesto el eje, para el
caso del vehículo urbano AISI 4140 y tiene un valor de 655 MPa.
Los Factores 6 a 10 de la Tabla 6, los cuales modifican el límite de resistencia a la fatiga, se
seleccionaron basados en valores sugeridos en los capítulos (6-9) del libro “Diseño en
Ingeniería Mecánica de Shigley”; estos valores predeterminados en este capítulo, ya han sido
previamente analizados y sometidos a cálculos por quienes se han visto en la necesidad de
caracterizar el material a partir de pruebas destructivas y no destructivas. Los valores
tomados son 1 o cercanos a la unidad, porque el eje de tracción del vehículo urbano no se ve
sometido a cambios de temperatura, esfuerzos variables, variación abrupta de su geometría
ni amplia modificación de la carga a la que está sometido.
Resultados del Diámetro
Debido a que se está analizando un eje macizo sin ningún tipo de muesca o chaveta, se
establece que las propiedades del eje permanecerán constantes a lo largo de los cálculos del
diámetro, razón por la cual 𝐾𝑓𝑖 = 𝐾𝑡𝑖 y de igual manera 𝐾𝑓𝑠𝑖 = 𝐾𝑡𝑠𝑖.
Los resultados de dimensionamiento presentados a continuación, están calculados en base al
ANEXO C y su diagrama de flujo correspondiente.
𝑇𝑎 = 470.79 𝑁 · 𝑚 = 𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟.
𝑇𝑚 = 235.39 𝑁 · 𝑚 = 𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜.
𝑀𝑎 = 68.67 𝑁 · 𝑚 = 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑓𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟.
81
𝑀𝑚 = 34.335 𝑁 · 𝑚 = 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑓𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜.
𝐾𝑓𝑖 = 𝐾𝑡𝑖 = 3.0 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜.
𝐾𝑓𝑠𝑖 = 𝐾𝑡𝑠𝑖 = 4.0 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜.
𝐾𝑎 = 0.8070651
𝑆𝑒𝑖 = 475.765 𝑀𝑃𝑎
Se propone calcular el diámetro del eje por dos métodos distintos, por el criterio de Goodman
(basado en realizar la comparación de los resultados de una curva de falla apropiada obtenida
a partir de digo, con los factores utilizados por dicho criterio A y B) y el criterio de Gerber
(aquel que utiliza el principio de que los esfuerzos se combinan mediante la teoría de
distorsión y lo anterior calculado a través de dige).
𝐴 = 3289.09 𝑁 · 𝑚
𝐵 = 1644.55 𝑁 · 𝑚
𝑑𝑖𝑔𝑜 = 0.0381 [𝑚] = 𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑟𝑖𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝐺𝑜𝑜𝑑𝑚𝑎𝑛.
𝑑𝑖𝑔𝑒 = 0.0389 [𝑚] = 𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑟𝑖𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝐺𝑒𝑟𝑏𝑒𝑟.
En base a los resultados anteriores, se decide hacer uso del criterio de Goodman para el
dimensionamiento del eje, debido a que éste es el criterio más conservador; por lo que es
necesario utilizar un eje de 0.0381 metros o el equivalente en pulgadas a 1½”, la cual es una
medida comercial para este tipo de componentes tal y como se muestra en el catálogo INA
TPI 79 apiro [52]. El peso de dicho eje será de 7,32 kg y fue obtenido a partir de las
dimensiones y la densidad del material.
5.4 TRANSMISIÓN DE POTENCIA
Teniendo en cuenta el funcionamiento y características de los tipos de transmisión de
potencia explicados en la sección 2.2.1, se evidencia que por cuestiones de peso, costo,
funcionalidad, pérdidas, espaciamiento, mantenimiento, complejidad de ensamble y
aplicación al proyecto, se decidió hacer uso de un sistema que transmita potencia a través de
una cadena o una correa, lo anterior porque es necesario transmitir un movimiento del orden
uno a uno de manera sencilla, es decir sin necesidad de reducirlo o ampliarlo a partir de
mecanismos complejos, por otro lado se hace necesario que sea de fácil ensamble para
disminuir el uso de componentes y así llevar a que el sistema sea más liviano y más
económico en cuanto a consumo de combustible. Por consiguiente se realizó un estudio más
a fondo de las transmisiones por correa y por cadena en la sección 2.2.1.2.
82
Luego de conocer los tipos de correa más usuales en el mercado y los más utilizados en la
industria, se procederá a revisar las Tablas 8 y 9 donde se evidencian las ventajas y las
desventajas tanto de las correas como de las cadenas, para así llegar a hacer una comparación
y por último una elección del sistema más apropiado para el vehículo urbano aplicado a la
Shell Eco Marathon.
VENTAJAS DESVENTAJAS
• Poseen un funcionamiento mucho más
silencioso que una transmisión por
cadenas o engranajes, si se encuentran en
buen estado.
• Precisan de un esfuerzo de pretensado
inicial, lo cual produce una sobrecarga inicial
del eje que puede producir problemas de
fatiga. Este esfuerzo no es necesario en las
correas de tipo sincronizado.
• Permiten absorber choques en la
transmisión, debido a la elasticidad de la
correa.
• Posibilidad de deslizamiento al transmitir
potencia con lo que la relación de transmisión
puede sufrir pequeñas variaciones, a
excepción de la correa dentada.
• Permiten transmitir potencia entre
árboles a distancias relativamente grandes
de forma económica. • Aunque el mantenimiento es bajo, se
requiere controlar el tensado de la correa.
Una correa destensada puede tener una
disminución de rendimiento de hasta el 5%, o
no ser capaz de transmitir nada de potencia.
• Precisa poco mantenimiento, al no ir
engrasadas como ocurre en el caso de las
cadenas o de los engranajes.
• Permite transmitir potencia entre ejes no
paralelos.
• Los costos de adquisición son menores
que en el caso de las cadenas y engranajes. • No pueden soportar condiciones de alta
temperatura debido a los materiales
elastómeros o sintéticos empleados. • Son fácilmente desacoplables y
acoplables.
• Permiten cambiar la relación de
transmisión fácilmente. • Poseen un deterioro mayor que las cadenas
o engranajes, en función de los factores
ambientales: humedad, polvo, lubricantes,
luz solar, etc. • Pueden alcanzar velocidades bastante
elevadas en comparación a las cadenas.
Tabla 8. Ventajas vs desventajas de correas.
83
VENTAJAS DESVENTAJAS
• No presenta deslizamiento.
• Solo aplicable cuando los ejes son
paralelos, pueden ser varios, pero en todos
los casos las ruedas dentadas deben estar en
el mismo plano.
• Es compacta y no se ve afectada en gran
porcentaje por falta de tensión inicial, a
diferencia de las correas.
• Preferentemente los ejes deben ser
horizontales, para evitar el uso de apoyos
laterales para la cadena.
• Si está bien diseñada es mucho más
duradera que las correas.
• Son más costosas que las transmisiones que
usan correas.
• Permite trabajar con menores distancias
entre centros de poleas, con la consiguiente
ventaja económica.
• Necesitan un buen mantenimiento, con
limpiezas periódicas y lubricación adecuada.
• Ante una rotura de uno o varios eslabones
es de fácil arreglo. • Para absorber los alargamientos deben
disponerse los ejes de modo que pueda
tensarse la cadena o bien montar un piñón
tensor en el ramal flojo. • Son poco sensibles al medio en que
trabajan.
Tabla 9. Ventajas vs desventajas de cadenas.
Teniendo en cuenta las ventajas y las desventajas de los tipos de transmisión de potencia por
correa y por cadena, así como el establecimiento de que la prioridad en la transmisión del
vehículo urbano es que la distancia entre ejes sea corta y que debe ser un sistema de fácil
ensamble y con fácil modificación de longitudes, se llegó a la conclusión del uso de cadenas.
También porque en este sistema no es tan influyente establecer pre-tensión y es mucho más
funcional a la hora de exponerse a temperaturas altas y al medio ambiente, lo que es de suma
importancia en la planta motriz de cualquier tipo de vehículo; pero el factor determinante, es
la fácil modificación de la distancia entre centros.
Para el vehículo urbano aplicado a la Eco Shell se pretenden utilizar dos transmisiones y cada
una cuenta con dos ruedas dentadas que se pueden clasificar en la categoría de piñones. La
primera transmisión de potencia, será entre el motor eléctrico y el eje de tracción, mientras
que la segunda, será entre el motor de combustión interna y el alternador. Por otro lado, en
ninguna de las dos transmisiones mencionadas anteriormente se realizarán reducciones,
debido a que se efectuaran relaciones de transmisión 1:1, lo que requiere que el tamaño de
ambas ruedas dentadas (la del eje de tracción y la del eje del motor eléctrico) sean las mismas
y en cuanto al par de piñones (el del eje del alternador y el del eje del motor de combustión
interna) sean los mismos.
84
Basados en lo planteado anteriormente y los requerimientos a satisfacer cómo el diámetro
del eje de tracción, se analizarán los componentes que se encuentren en el mercado en cuanto
a tipos de piñones o ruedas dentadas y las cadenas usadas por los mismos. Esto con el fin de
realizar una selección adecuada de dichos elementos.
En la Tabla 10, se muestran los tipos de ruedas dentadas y la nomenclatura general que se
maneja comercialmente para dichos componentes; lo anterior, con el fin de llegar a tener una
idea más clara de lo que se desea utilizar en las dos transmisiones de potencia que se
manejaran en el vehículo urbano.
TIPO
Tipo A
Tipo B
Tipo C
Tipo 2B
Tipo 3B
Tipo 4C
Tipo SF
Tipo BTB
NOMENCLATURA
50 A 18
Tabla 10. Nomenclatura y tipos de piñones [53].
Teniendo en cuenta que el motor eléctrico será el que impondrá los parámetros de velocidad
angular y así mismo se encargará de controlar que tantas rpm, torque y potencia se entregan
al eje, se evidencia la necesidad de hacer transmisión de potencia del orden uno a uno, por lo
que no es necesario incrementar o reducir las velocidades angulares entre lo piñones. De aquí,
que se decidiera hacer la selección de las ruedas dentadas en base al estatus comercial de las
transmisiones que utilizan ejes como el diseñado en la sección 5.3, es decir teniendo en cuenta
que el diámetro interno de la rueda dentada debe coincidir con el diámetro del eje (1½”) y
que la distancia entre centros, está definida por el espaciamiento con el que se cuenta en el
volumen de control de la planta motriz. Con lo anterior y haciendo referencia a los
Número de
Cadena Tipo
Número de
Dientes
85
implementos existentes en el mercado actual como se puede ver en el catálogo INTERMEC
[54], se seleccionó el plato 40 A 44 que se utiliza en conjunto con la cadena número 40
referencia 08-B británica con paso de ½”; combinación que se establece y recomienda
comercialmente. Esto con el fin de brindar tracción al vehículo urbano con la menor cantidad
de pérdidas posibles y satisfaciendo todos los requerimientos que se han venido exponiendo
a lo largo del documento.
5.5 MOTOR ELÉCTRICO
Luego de que se estudió el funcionamiento y las características de un motor eléctrico en la
sección 2.2.2, se procede a realizar un estudio de mercado que se puede observar en la Tabla
11, donde se registran los motores eléctricos que puedan llegar a satisfacer las necesidades
en cuanto torque, potencia y rpm que se necesitan en el sistema de propulsión del vehículo
urbano.
MOTOR CARACTERÍSTICAS
Figura 55. Motor turnigy rotomax 50cc [55].
Kv (rpm/v) 172
Peso (g) 1080
Corriente máxima (A) 120
Torque máximo (N·m) 1847
Resistencia (mh) 21
Máximo voltaje (V) 44
Potencia máxima (W) 5300
Eje A (mm) 10
Longitud B (mm) 102
Diámetro C (mm) 80
Longitud D (mm) 50
Longitud total E (mm) 142
Costo (Us $)
192.30
86
MOTOR CARACTERÍSTICAS
Figura 56. Motor turnigy rotomax 80cc [56].
Kv (rpm/v) 195
Peso (g) 1916
Corriente máxima (A) 150
Torque máximo (N·m) 2030
Máximo voltaje (V) 52
Potencia máxima (W) 6600
Eje A (mm) 10
Longitud B (mm) 110
Diámetro C (mm) 108
Longitud D (mm) 48
Longitud total E (mm) 142
Costo (Us $) 265.85
Figura 57. Motor turnigy rotomax 100cc [57].
Kv (rpm/v) 167
Peso (g) 2074
Corriente máxima (A) 170
Torque máximo (N·m) 2871
Máximo voltaje (V) 44
Potencia máxima (W) 7992
Eje A (mm) 10
Longitud B (mm) 114
Diámetro C (mm) 110
Longitud D (mm) 53
Longitud total E (mm) 150
Costo (Us $) 333.84
Figura 58. Motor turnigy rotomax 150cc [58].
Kv (rpm/v) 150
Peso (g) 2530
Corriente máxima (A) 190
Torque máximo (N·m) 3920
Máximo voltaje (V) 52
Potencia máxima (W) 9800
Eje A (mm) 10
Longitud B (mm) 91
Diámetro C (mm) 110
Longitud D (mm) 65
Longitud total E (mm) 160
Costo (Us $) 398.80
87
MOTOR CARACTERÍSTICAS
Figura 59. Electric turbine hacker A50-14L [59].
Kv (rpm/v) 540 U/min-1
Peso (g) 465
Corriente máxima
(A) (70 – 90)
Resistencia (Ω) 0,025
Torque máximo
(N·m) 333
Corriente de
ralentí @ 8,4 V – 1ª
Potencia (W) 3000
Diámetro (mm) 55
Longitud (mm) 79
Costo (Us $) 316,51
Figura 60. Motor hacker A80-8 [60].
Kv (rpm/v) 218 U/min-1
Peso (g) 1450
Corriente máxima
(A) (145 – 176)
Resistencia (Ω) 0,017
Torque Máximo
(N·m) 1376
Corriente de
ralentí @ 8,4 V – 2,8 A
Potencia (W) 5000
Diámetro (mm) 89
Longitud (mm) 107
Costo (Us $) 528,4
Figura 61. Motor hacker A100-10 [61].
Kv (rpm/v) 180 U/min-1
Peso (g) 1900
Corriente máxima
(A) (135 – 145)
Resistencia (ohm) 0,018
Torque máximo
(N·m) 2333
Potencia (W) 7000
Diámetro (mm) 109
Longitud (mm) 110
Costo (Us $) 991,9
88
MOTOR CARACTERÍSTICAS
Figura 62. Motor hacker Q80-8M [62].
Kv (rpm/v) 180
Peso (g) 1075
Corriente máxima
(A) (108 – 140)
Resistencia (Ω) 0.013
Torque máximo
(N·m) 1833
Corriente de
ralentí @ 8.4 V – 1.6 A
Potencia (W) 5500
Diámetro (mm) 89
Longitud (mm) 80
Costo (Us $) 766.77
Tabla 11. Listado de motores eléctricos y sus características asociadas.
Teniendo en cuenta que en el proceso de transmisión de potencia existen una serie de
pérdidas, es necesario establecer una eficiencia para dicho mecanismo con el objetivo de
definir los requerimientos iniciales para el motor eléctrico. Esta eficiencia se asumirá del
75% ya que esta se encuentra clasificada como aceptable en la OEE Classification (Overall
Equipment Effectiveness)4, es decir que no se trabajará en limites inferiores a 75%, porque
se llevaría el mecanismo a una clasificación inaceptable o regular y tampoco en limites
superiores a 75%, porque eficiencias entre el rango de 80 y 95% generalmente se asocian a
elementos que han sido sometidos a estudios y procesos de optimización.
Para el proyecto es necesario buscar un motor con capacidad de brindar 281 rpm, 628 N·m
de torque y 2931 W de potencia (Resultados de parámetros de sección 5.2.1 Torque y sección
5.2.2 Potencia, teniendo en cuenta la eficiencia del 75% tal y como se muestra a
continuación).
𝑇 = 𝑇𝑠′ ∙ 75% = 628 𝑁 ∙ 𝑚
𝑃 = 𝑇 ·𝜔
60= 2931 𝑊
En la Figura 63, se puede observar que los parámetros de torque y potencia son cumplidos
por todo el compendio de motores comparados; pero es necesario tener en cuenta que en los
motores más pequeños como el rotomax 50cc, hacker A50-14L, hacker A80-8 y hacker Q80-
8M, se alcanzarán 628 N·m y 2931 W cuando los motores estén trabajando en su rango
4 Se recomienda al lector, confrontar la tabla de clasificación de Eficiencia General de los Equipos.
(http://es.wikipedia.org/wiki/Eficiencia_General_de_los_Equipos)
89
máximo de operación, lo que afecta el consumo energético porque todo el tiempo será el
máximo admisible. También se resalta el hecho de que el resto de motores sobrepasa por un
amplio margen lo demandado por la planta motriz del vehículo urbano en cuanto a torque y
potencia se refiere. Lo que lleva a reducir el campo de selección al rotomax 80cc y el hacker
A100-10, siendo el rotomax el seleccionado porque brinda un 126% más de rendimiento para
cumplir los parámetros requeridos a diferencia del hacker que brinda un 140%, por lo que
este último esta sobre dimensionado para desempeñar las exigencias establecidas por el
sistema de propulsión del vehículo urbano, tiene un consumo energético mayor y a su vez es
más costoso.
Figura 63. Diagrama comparativo de motores eléctricos.
5.5.1 Controlador de velocidad
Luego de haber seleccionado el motor eléctrico, se debe tener en cuenta que este tipo de
motores utilizan un controlador de velocidad o variador. Con el objetivo de modificar el
rango de velocidad del motor eléctrico y a su vez la dirección electrónica. Por otra parte estos
controles también se pueden utilizar como un freno dinámico del motor eléctrico, ya que este
está en capacidad de reducir la velocidad del motor mediante el retorno de la energía o
potencia a la línea de suministro.
El proceso del controlador de velocidad, radica en la recepción de la información proveniente
del micro controlador electrónico o en su aplicación más general, la información que emite
el control de mando. Luego el controlador de velocidad modifica la señal mediante toda su
red de transistores que a la final controlan el motor a través de la electricidad. Estos
dispositivos Electronic Speed Control (ESC) utilizan un Circuito Eliminador de Batería
(CEB) para regular el voltaje del receptor o dispositivo que recibe la entrada a partir de una
antena de radio, dicha antena es manejada por el micro controlador electrónico o el R/C de
aeromodelo.
10
80
19
16
20
75
25
30
46
5 14
50
19
00
10
75
53
00 66
00 79
92 9
80
0
30
00 5
00
0 70
00
55
00
18
47
20
30
28
71 39
20
33
3 13
76
23
33
18
33
12
0
15
0
17
0
19
0
90 17
6
14
5
14
0
19
2,3
26
5,8
5
33
3,8
4
39
8,8
31
6,5
1
52
8,4
99
1,9
76
6,7
7
R O T O M A X 5 0 C C
R O T O M A X 8 0 C C
R O T O M A X 1 0 0 C C
R O T O M A X 1 5 0 C C
H A C K E R A 5 0 - 1 4 L
H A C K E R A 8 0 - 8
H A C K E R A 1 0 0 - 1 0
H A C K E R Q 8 0 - 8 M
FACTORES DE RENDIMIENTO
Peso [g] Potencia [W] Torque [N*m] Corriente [A] Costo [Us $]
90
El control de velocidad utiliza un modo de regulador para permitir que las rpm del motor
eléctrico funcionen a velocidades constantes. A continuación se muestran las principales
características del controlador recomendado por el fabricante del motor eléctrico. Dicho
controlador es un controlador electrónico de velocidad de alto voltaje (HV), manufacturado
por Turnigy dlux.
CONTROLADOR DE VELOCIDAD CARACTERÍSTICAS
Figura 64. Controlador de velocidad turnigy
dlux HV ESC [63].
Máxima corriente
continua (A) 250
Máximo pico de
corriente (A) 275
LiPo (S=3.7 V) 6 – 14 S
Máximas rpm 200,000
Peso (g) 456
Largo (mm) 135
Ancho (mm) 77
Alto (mm) 50
Tabla 12. Controlador de velocidad y sus características asociadas.
5.6 SÚPER CAPACITORES
Luego de que se estudió el funcionamiento y las características de los súper capacitores en la
sección 2.2.3, se procede a realizar un estudio de mercado que se puede observar en la Tabla
13, donde se registran los ultracapacitores que pueden llegar a satisfacer las necesidades
energética en cuanto a potencial eléctrico y capacidad de corriente para el motor eléctrico
seleccionado.
91
ULTRACAPACITOR CARACTERÍSTICAS
Figura 65. PC10 series [64].
Capacitancia (F) 10
Voltaje (V) 2.5
Corriente
máxima (ARMS) 2.4
Capacidad (Ah) 0.007
Peso (g) 6.3
Longitud (mm) 29.6
Ancho (mm) 23.6
Espesor (mm) 4.8
Figura 66. K2 series [65].
Capacitancia (F) 3000
Voltaje (V) 2.7
Corriente
máxima (ARMS) 130
Capacidad (Ah) 2.25
Peso (g) 510
Longitud (mm) 138
Diámetro interno
(mm) 60.4
Diámetro externo
(mm) 60.7
Figura 67. 16 volt small module [66].
Capacitancia (F) 58
Voltaje (V) 16
Corriente
máxima (ARMS) 2.4
Capacidad (Ah) 0.26
Peso (g) 630
Longitud (mm) 226.5
Ancho (mm) 49.5
Alto (mm) 76.0
92
ULTRACAPACITOR CARACTERÍSTICAS
Figura 68. 16 volt large module [67].
Capacitancia (F) 500
Voltaje (V) 16
Corriente
máxima (ARMS) 100
Capacidad (Ah) 2.22
Peso (g) 5510
Longitud (mm) 418
Ancho (mm) 68
Alto (mm) 179
Figura 69. 48 volt module [68].
Capacitancia (F) 165
Voltaje (V) 48
Corriente
máxima (ARMS) 1900
Capacidad (Ah) 2.2
Peso (g) 13500
Longitud (mm) 418
Ancho (mm) 191
Alto (mm) 126
Tabla 13. Listado de ultracapacitores y sus características asociadas.
Luego de analizar la Figura 70 y teniendo en cuenta los parámetros exigidos por el motor
eléctrico seleccionado. Se descartan los componentes PC-10 series, K2 series y 16V small
module. Debido principalmente a que dichos ultracapacitores tienen muy poco flujo de
corriente, parámetro que se ve afectado en el momento de encontrar vientos y/o inclinaciones
de la pista en la que rueda el vehículo urbano (condiciones no óptimas). Lo que ocurre al
implementar más exigencia al motor eléctrico mediante las condiciones anteriormente
descritas, es que se incrementa el consumo de corriente (A) y el consumo de potencial
eléctrico (V), y aquí es cuando los capacitores descartados se vuelven ineficientes al no estar
en capacidad de suplir las exigencias del motor Turnigy Rotomax 80cc. Por otro lado, de los
dos módulos restantes se selecciona el 16V large module, porque aunque ofrece una
capacidad similar en Amperios – Hora (Ah) al 48V module, es mucho más ligero (5.51 kg)
y a su vez es mucho más pequeño.
93
Figura 70. Diagrama comparativo de ultracapacitores.
5.6.1 Tiempo de descarga
Es necesario establecer tiempos aproximados de la descarga del súper capacitor seleccionado,
con el fin de saber cada cuanto se debe encender el motor recíproco. Lo anterior es una
característica que definirá en gran parte el consumo total de la planta motriz del vehículo
urbano aplicado a la Shell Eco Maratón. A continuación se presentan los resultados obtenidos
a partir del ANEXO D, donde se tienen en cuenta las características y especificaciones del
ultracapacitor 16V large module seleccionado.
𝑞 = 2.22 𝐴ℎ = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 − 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
𝐼𝑐𝑜𝑛 = 66.604 𝐴 = 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎
𝐷𝑇𝑐𝑜𝑛 = 2 min = 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝐷𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎
2,5
2,7 16
16 48
2,4 13
0
2,4 10
0
19
00
0,0
07
2,2
5
0,2
6
2,2
2
2,2
6,3 5
10
63
0
55
10
13
50
0
P C - 1 0 K 2 1 6 V S M A L L 1 6 V L A R G E 4 8 V
CARACTERÍSTICAS DE
ULTRACAPACITORES
Voltaje [V] Corriente [A] Capacidad [Ah] Peso [g]
94
5.7 ALTERNADOR
Dado que las características principales y funcionamiento del alternador, fueron definidos en
la sección 2.2.4, se procederá a explicar la cantidad de energía eléctrica que produce el
componente al disponer de diferentes cantidades de energía mecánica
5.7.1 Energía generada con rpm suministradas y torque para alcanzarlas
Parámetros cómo corriente de salida a partir de las revoluciones suministradas son
generalmente brindados por el fabricante de alternadores, es decir que no existen métodos
exactos para calcular dicha energía. Sin embargo los fabricantes tienen en cuenta factores
cómo rendimiento, temperatura de operación y el torque asumido en base a los materiales de
fabricación del alternador, la masa, el momento de inercia, lubricación, fricción entre
componentes, eficiencia de escobillas, etc. Los anteriores parámetros varían para cada tipo
de alternador y para cada uno de los fabricantes.
Algunos fabricantes de alternadores entregan curvas de rendimiento donde se encuentran
como variable independiente las rpm de giro del eje del alternador, como variable
dependiente la corriente de salida en Amperios y como constante el voltaje entregado por
dicho alternador.
En la Figura 71 se puede observar el comportamiento de la generación de corriente a partir
de las rpm del alternador. En primer lugar entre mayor sea el límite del alternador en
Amperios, menor la cantidad de rpm suministradas para llegar a valores máximos
convencionales de corriente, tanto en súper capacitores cómo en baterías, aproximadamente
de 50 a 130 A. Cabe anotar que existe un punto en el que el crecimiento de la corriente
entregada se tiende a volver una constante, es decir que esta no varía en función de las rpm
suministradas y esto se evidencia cuando se llega al límite de Amperaje brindado por el
alternador. Por otro lado, es de tener en cuenta que los alternadores son elementos diseñados
para vehículos del común, en los cuales las rpm máximas oscilan en el rango de 7000 a 9000,
por lo que el máximo de carga entregada se consigue en rpm inferiores a dicho rango.
95
Figura 71. Curva de prestaciones del alternador [69].
Se analizó que para suministrar la carga al módulo ultracapacitor de la planta motriz, se debe
seleccionar un alternador con la capacidad de satisfacer los 100 A máximos admisibles del
módulo y a su vez lo establezca a bajas rpm. Sin embargo, estas revoluciones se deben limitar
por la mínima convencional encontrada en motores recíprocos aproximadamente 1000 rpm,
revoluciones a las que el motor no se apagara cuando se encuentre en ralentí.
5.7.2 Opciones y características de alternadores
A continuación se procederá a realizar un estudio de mercado que se muestra en la Tabla 14,
donde se registran los alternadores que pueden llegar a satisfacer la necesidad de carga
energética en cuanto a potencial eléctrico y capacidad de corriente que solicita el
ultracapacitor para llegar a obtener su máximo valor de carga admisible.
96
ALTERNADOR CARACTERÍSTICAS
Figura 72. Alternador hitachi (242-0002)
Límite
amperaje (A) 65
Voltaje
constante (V) 12
Aplicación
general Mazda 323
Figura 73. Alternador hitachi (242-LR170-408-1)
Límite
amperaje (A) 70
Voltaje
constante (V) 12
Aplicación
general
Nissan
TD27
Figura 74. Alternador hitachi (242-13828)
Límite
amperaje (A) 100
Voltaje
constante (V) 12
Aplicación
general
Nissan
TD27 /
Montero
Figura 75. Alternador hitachi (242-13638)
Límite
amperaje (A) 90
Voltaje
constante (V) 12
Aplicación
general
Nissan
Pathfinder
97
ALTERNADOR CARACTERÍSTICAS
Figura 76. Alternador hitachi (242-13639)
Límite
amperaje (A) 110
Voltaje
constante (V) 12
Aplicación
general
Nissan
Infinity
Figura 77. Alternador bosch (242-13882)
Límite
amperaje (A) 120
Voltaje
constante (V) 12
Aplicación
general
BMW
Series
Figura 78. Alternador bosch (242-23751)
Límite
amperaje (A) 98
Voltaje
constante (V) 12
Aplicación
general
Renault
Logan-Clío
Figura 79. Alternador bosch (242-13953)
Límite
amperaje (A) 150
Voltaje
constante (V) 12
Aplicación
general
Mercedes
CLK
Figura 80. Alternador bosch (242-12385)
Límite
amperaje (A) 200
Voltaje
constante (V) 12
Aplicación
general
Dodge
sprinter
VAN
98
ALTERNADOR CARACTERÍSTICAS
Figura 81. Alternador ford (242-7768)
Límite
amperaje (A) 130
Voltaje
constante (V) 12
Aplicación
general
Ford
Explorer
Pick Up
Figura 82. Alternador ford (242-8329)
Límite
amperaje (A) 160
Voltaje
constante (V) 12
Aplicación
general
Motor Ford
Heavy
Duty
Figura 83. Alternador valeo (242-2977)
Límite
amperaje (A) 85
Voltaje
constante (V) 12
Aplicación
general
Chevy
Aveo /
Swift
Tabla 14. Listado de alternadores y sus características asociadas [70].
Del anterior compendio de alternadores usualmente encontrados en el mercado, se seleccionó
aquel que tiene un límite máximo de amperaje superior a 95 A (máximo admisible del
ultracapacitor utilizando margen de seguridad); pero que a su vez este en capacidad de no
obligar al módulo a trabajar en sus máximos admisibles de corriente, aun cuando el
suministro de rpm fuera el proporcionado por las mínimas del motor a pistón (caso en el que
no existiría ningún margen de error o factor de seguridad para cuidar los componentes).
Por otro lado, se tuvo en cuenta que fuese un alternador utilizado en vehículos pequeños de
no tanta demanda de carga, es decir automóviles comunes y corrientes, más no vehículos
pesados, camiones, buses o vehículos con motores de alto valor prestacional, lo que lleva a
tener una cierta seguridad en que el alternador no va a ser sobredimensionado.
99
Luego de expresar las consideraciones y los requerimientos del ultracapacitor, de visualizar
las características ofrecidas por los alternadores en la Figura 84 y de citar el análisis de curvas
de prestaciones especificado en la sección anterior. El alternador que se decidió utilizar es el
Bosch que entrega 98 A (Amperaje máximo que se alcanza aproximadamente a las 6000 rpm
lo que garantiza que para generar 80 A, las rpm oscilaran entre 2500 y 3000, las cuales son
ideales para un bajo consumo), por otra parte, entrega 12 V continuos (voltaje que garantiza
que no se excederá el máximo voltaje admisible por el 16 volt large module) y por último, es
generalmente usado en vehículos del común, pequeños, livianos y de normal rendimiento
como lo pueden ser el Renault Logan o el Renault Clío.
Figura 84. Diagrama comparativo de alternadores.
5.7.3 Tiempo de carga
Es necesario establecer tiempos aproximados de la carga del súper capacitor seleccionado,
con el fin de saber cuánto tiempo debe permanecer prendido el motor recíproco. La anterior
es la característica más influyente en el consumo total de la planta motriz del vehículo urbano
aplicado a la Shell Eco Maratón. Por lo que usando las características y especificaciones del
súper capacitor y la energía brindada por el alternador seleccionado, se llegó a los siguientes
resultados a partir del ANEXO E.
𝑃 = 35,56 𝑊ℎ = 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 − ℎ𝑜𝑟𝑎
𝑃𝑠𝑢𝑚 = 1139.6 𝑊 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
𝐶𝑇 = 1 𝑚𝑖𝑛 53 𝑠𝑒𝑔 = 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎
65 70
10
0
90 1
10
12
0
98
15
0
20
0
13
0 16
0
85
12
12
12
12
12
12
12
12
12
12
12
12
COMPARACIÓN DE FUNCIONALIDAD EN ALTERNADORES
Amperaje [A] Voltaje [V]
100
5.8 MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
Luego de haber estudiado los diferentes tipos de motores de combustión interna recíprocos
existentes actualmente y que se abarcaron en la sección 2.2.5, se llegó a la conclusión de
utilizar un motor que funcione bajo el principio del ciclo Otto, debido a su facilidad para
usarse con requerimientos de altas revoluciones y bajo torque, cosa que no ocurre con los
motores que funcionan bajo el ciclo diésel, donde se obtienen torques grandes a cambio de
pocas revoluciones. Por otro lado, por normatividad de la competencia Eco Shell, se debe
usar un motor de 4 tiempos y por último la cilindrada de dicho motor debe ser baja para así
asociarlo a un bajo consumo de combustible.
5.8.1 Opciones y características de motores a pistón
En la Tabla 14 se evidencia que el uso de motores de bajo cilindraje de 4T aún no es muy
usual en la industria actual; por lo que no es demasiado el compendio de motores que se
pueda comparar o preestablecer para su posterior selección. Más sin embargo se debe
anteponer la idea de que el motor a pistón de la planta motriz para el vehículo urbano aplicado
a la Eco Shell Marathon, no debe ser muy potente. Y por el contrario este debe tener bajo
consumo de combustible, debido a que sólo estará encargado de brindar el par de fuerza
solicitado por el alternador para cumplir con su función.
MOTOR CARACTERÍSTICAS
Figura 85. Motor 4T gasbike storm [71]
Costo [$ Us] 599
Toque [N•m ] @
4500 RPM 2.4
Potencia [kW] @
6800 RPM 1.2
RPM (Máxima) 8500
Cilindraje 49 𝑐𝑚3
Peso [kg] 5.5
Consumo de
Combustible 480 g / kWh
Dimensiones
[LxHxA]
38 cm X 28 cm X
28 cm
101
MOTOR CARACTERÍSTICAS
Figura 86. Motor 4T gasbike skyhawk [72]
Costo [$ Us] 649,99
Toque [N•m ] @
4500 RPM 2
Potencia [kW] @
6800 RPM 1.2 kW
RPM (Máxima) 8500
Cilindraje 49 𝑐𝑚3
Peso [kg] 5.2
Consumo de
Combustible 480 g / kWh
Dimensiones
[LxHxA] 347mm X 225mm X
335mm
Figura 87. Motor 4T chongqing royway 125F [73]
Costo [$ Us] 720
Toque [N•m ] @
3000 RPM 3.8
Potencia [kW] @
3600 RPM 1.6
RPM (Máxima) 3600 RPM
Cilindraje 97,7 𝑐𝑚3
Peso [kg] 9 Kg
Consumo de
Combustible 650 g / kWh
Dimensiones
[LxHxA] 325mm X 315mm X
415mm
Tabla 15. Listado de motores recíprocos y sus características asociadas.
Para la selección de uno de los componentes más importantes de la planta motriz como lo es
el motor a pistón, debido a que definirá el consumo de combustibles derivados del petróleo
de todo el conjunto, se tuvo en cuenta que la exigencia para dicho motor no será muy grande,
por otro lado se evidencia que en el mercado de hoy día se encuentran grandes cantidades de
motores de bajo cilindraje pero de 2T; motor que se utiliza generalmente en guadañas,
cuatrimotos, motos pequeñas y entre otras. En base a lo anterior se redujo la selección del
motor pistón a los 3 motores presentados en la Figura 88.
102
Figura 88. Diagrama comparativo de motores a pistón 4T de bajo cilindraje.
El motor seleccionado fue el gasbike storm 49cc, debido a que el motor royway 125F está
sobredimensionado para la tarea que se necesita en cuanto a cilindraje y peso; mientras que
el motor gasbike skyhawk tiene las mismas características que el storm, pero el factor
determinante fue el precio, que difiere debido al uso de componentes internos de más alta
calidad como el pistón forjado, este motor también posee coberturas en las secciones
calientes y los acabados son más detallados.
5.9 COMPONENTES SECUNDARIOS
Luego de definir en la sección 2.2.6 el sistema de encendido a partir de un motor de arranque
para el motor a pistón, el sistema de escape y los acoples y sellos que se ubican entre el exosto
y el ducto de salida de gases del motor a pistón, se procederá a explicar la aplicabilidad todos
y cada uno de dichos componentes en la planta motriz del vehículo urbano.
5.9.1 Aplicación del motor de arranque a la planta motriz
Luego de observar el funcionamiento y las partes que componen este elemento, se decide
implementar dicho componente para el cumplimiento de las metas propuestas en el proyecto.
Principalmente se tuvieron en cuenta las características del motor a pistón escogido, también
es necesario aclarar que la competencia Eco Shell Marathon, permite el uso de una batería
tradicional de ácido – plomo para este tipo de componentes secundarios y accesorios como
luces, parabrisas, entre otros.
5,5 5,2 91,2 1,2 1,62,4 2 3,8
480 480
650
49 49 97,7
599
649,99720
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Gasbike Storm Gasbike Skyhawk Chongqing Royway 125F
Peso [kg] Potencia [kW] Torque [N*m]
Consumo g/kWh Cilindraje m3 Costo [$ Us]
103
Por lo mencionado anteriormente, el motor de arranque seleccionado no consta de ninguna
característica en especial de torque, potencia o rpm. El único principio que el motor de
arranque debe satisfacer, es brindar un giro mínimo de 28° para recorrer la distancia desde el
punto muerto hasta el inicio de la combustión. Con lo anterior el motor de arranque más
sencillo del mercado es el LEAD SH SPEEDFIGHT utilizado en motocicletas como la
Shadow 50 y 90 cc, Scoopy 100 cc y Yamaha BWS 100 cc.
Figura 89. Motor de arranque lead SH/Speedfight [74].
MOTOR DE
ARRANQUE ITEM CARACTERÍSTICA
Lead SH/Speedfight
Voltaje [V] 12
Potencia [kW] 0.3
Peso [kg] 0.8
Rotación Izquierda
Costo [$ Us Dólar] 28.33
Tabla 16. Características del motor de arranque seleccionado [74].
Se hace la salvedad de que el grupo encargado de los sub-sistemas del vehículo urbano, hará
un análisis más a fondo acerca de la selección del motor de arranque y los integrantes de
dicho grupo, tendrán en cuenta que el uso del elemento SH/Speedfight es una recomendación
establecida por el grupo de sistema de propulsión; por lo que los encargados de hacer el
estudio más profundo, deberán tener en cuenta que tanto el modulo del piñón como su sentido
de giro en el motor de combustión interna, coincida con el del motor de arranque.
104
5.9.2 Sistema de suministro y almacenamiento de combustible
La planta motriz del vehículo urbano aplicado a la Shell Eco Marathon, tiene la necesidad de
consumir combustible derivado del petróleo (gasolina). Por lo que es necesario establecer el
diseño de un sistema que almacene y suministre el combustible requerido por la planta
motriz.
Para lo anterior se debe tener en cuenta que el motor a pistón de 4T posee un componente
conocido como carburador, el cual está encargado de succionar el combustible del tanque y
así suministrar la gasolina al motor de combustión interna.
El sistema de suministro y almacenamiento de combustible estará compuesto de los
siguientes elementos:
Tanque de combustible: elemento encargado del almacenamiento de combustible,
se debe tener en cuenta que en la competencia Eco Shell se brinda 1 galón de
gasolina, por ende este componente del sistema de combustible debe estar en
capacidad volumétrica de contener dicha cantidad.
Mangueras: elemento por el cual fluirá el combustible, así como el encargado de
conectar la boquilla del tanque de combustible, con el acople del carburador del
motor a pistón de 4T. Este componente del sistema de combustible, también debe
cumplir con la parte de desfogue de los gases que produce la gasolina, los cuales ya
no sirven para producir combustión.
5.9.2.1 Materiales para tanque de combustible y ductos o mangueras
Generalmente los tanques de combustible en la industria automotriz, están diseñados con la
capacidad de contener el combustible junto a todos sus factores corrosivos. Entre los
materiales más utilizados en este tipo de componentes se encuentra el acero recubierto en
zinc o terne5, este material posee ventajas en casos de incendio porque no se hunde o se
deforma, y por otro lado no produce humo al quemarse. Entre sus desventajas está una gran
masa y que poseen costuras de soldadura, las cuales son débiles en el momento en que se
ejerce presión, lo que puede llegar a provocar estallidos.
Otro de los materiales más utilizados en los tanques de combustible, es el polietileno de alta
densidad de plástico, que entre sus ventajas se encuentra que posee baja masa y en el
momento de un accidente se puede tornar más seguro que un tanque de acero, lo anterior
porque no se generan fisuras y no posee costuras de soldadura que trabajen bajo alta presión.
5 Terne: Material resultante de la combinación de Plomo y Estaño.
105
Entre sus desventajas se encuentra la deformación en el momento de incendio, difícil
moldeado a la hora de fabricar un diseño específico y que genera humo que incrementa la
onda expansiva de una llamarada en caso de fuego.
En cuanto a las mangueras que transportan la gasolina, utilizan como material más común en
la industria automotriz la lona recubierta por caucho tal y como se muestra en la Figura 90.
Estos elementos pueden llegar a poseer de 1 a 2 trenzas de material, manejar presiones en el
rango de 1034 kPa a 2068 kPa y resistir temperaturas de hasta 90°C.
Figura 90. Manguera de combustible caucho - lona [75].
Con lo anterior se obtuvieron los datos para establecer el diseño del sistema de suministro y
almacenamiento de combustible descrito en el ANEXO F, donde se evidencia el plano,
geometría y características del sistema en cuestión. El tanque de combustible seleccionado
es el mostrado en la Figura 91 por la facilidad de adquisición en el mercado y su fabricación
en acero de baja densidad, lo que brinda resistencia a deformaciones, altas temperaturas y
expansión de los gases de combustible. Si se desea disminuir el peso de este componente, es
recomendable utilizar materiales compuestos con resistencia térmica, debido a la cercanía
que existe entre el tanque y la planta motriz con todas las altas temperaturas que esta maneja;
dicha cercanía tiene como objetivo optimizar el uso del principio de gravedad en la
proporción de gasolina al motor de combustión interna. Con estos parámetros y analizando
el diámetro de la boquilla del carburador del motor Gas Bike Storm 49cc, se utilizará una
manguera de caucho – lona de 0.5 cm de diámetro interno, 0.9 cm de diámetro externo y el
largo necesario para la correcta fluidez del combustible desde el tanque al motor.
Figura 91. Tanque de combustible acero de baja densidad [76].
106
5.9.3 Sistema de escape
Luego de describir en la sección 2.2.6.2 el funcionamiento y las piezas que componen el
sistema de escape, se procede a analizar los materiales más adecuados para su construcción
y lo anterior, basados en los requerimientos del sistema de propulsión desarrollado hasta esta
sección.
5.9.3.1 Materiales para la construcción de un sistema de escape
Los materiales más aconsejables para la implementación en los sistemas de escape debido a
las altas temperaturas a las que se ven sometidos son: aceros inoxidables y cobre; aunque el
acero inoxidable soporta altas temperaturas, puede llegar a sufrir un calentamiento que podría
ser peligroso al contacto, por lo que se opta por recubrirlo con algún tipo de plástico,
problema que no se observa con los escapes de cobre, debido a que si llegan a verse sujetos
a altas temperaturas, no se calientan de la misma manera que el escape de acero inoxidable,
sin embargo el gran problema con este material, es su elevado costo, puesto que podría
superar aproximadamente en cuatro veces el valor de los tubos de escape fabricados en acero
inoxidable.
En base a lo expuesto anteriormente, se planteó el diseño del sistema de escape descrito en
el plano SEMPM-19 del ANEXO F, donde se evidencia el plano y características del sistema
en cuestión. El material seleccionado para la fabricación tanto del colector de escape como
del tubo de escape, es el acero inoxidable. En principio porque las temperaturas manejadas
en un motor de combustión interna de bajo cilindraje son bajas, por lo que se contrarresta la
desventaja principal de este material y por otra parte la masa es menor en comparación con
el cobre, debido a que la densidad del acero inoxidable es de 7.85 𝑔 𝑐𝑚3⁄ y la del cobre es
de 8.4 𝑔 𝑐𝑚3⁄ .
5.9.4 Sellos y/o acoples al motor pistón
Luego de entender el uso de los sellos que van al motor pistón, a partir de lo descrito en la
sección 2.2.6.3, se procede a analizar los materiales más adecuados para la fabricación de
dichos acoples, con el fin de que brinden el correcto sellamiento de los espacios presentes
entre el tubo colector de escape y el motor de combustión interna recíproco.
5.9.4.1 Materiales de los sellos/acoples entre el sistema de escape y el motor a pistón
Los materiales utilizados generalmente en estos componentes, son de tipo metálico con
características termostáticas, es decir que tienen cierto grado de expansión en el momento de
alcanzar una temperatura específica. Con lo que se espera dicho acople o sello, se amolde y
selle en un alto porcentaje las posibles fugas que pueden llegar a existir.
107
La fabricación viene dada en plomo, babbitt6, cobre o aluminio. La característica termostática
se debe al núcleo de los sellos fabricados con estos materiales, porque en el interior se
encuentran capas de caucho sintético o mecha de asbesto y con una pequeña añadidura de
lubricante, lo que brinda resistencia física y térmica en el componente.
Figura 92. Empaques/sellos de motor [77].
La forma o diseño de los sellos está condicionada por la forma de la punta del colector de
escape que se conecta con el ducto de salida de gases del motor a pistón. El anterior
componente también se muestra en el plano SEMPM-18 del ANEXO F, donde se evidencia
el diseño y características del sistema de escape.
5.10 CONSUMO DE COMBUSTIBLE
Luego de haber seleccionado y diseñado todos los componentes de la planta motriz, se
procede a realizar el cálculo del consumo de combustible total del conjunto motor. Lo
anterior en base a los tiempos que durará en funcionamiento el motor de combustión interna,
mientras se recargan las baterías que suministran energía eléctrica al motor eléctrico.
Las características del motor Gasbike Storm 49CC que definen el consumo de combustible;
son el SFC (Specific Fuel Consumption) que tiene un valor de 480𝑔
𝑘𝑊ℎ y los 1,2 kW de
potencia generados a 6800 RPM’s. Basados en estos datos, se procede a analizar cuantos
gramos de combustible se consumirán manteniendo 3000 RPM’s constantes (resultado
obtenido de las secciones 5.7.2 y 5.7.3 del documento) para brindar la energía mecánica
solicitada por el alternador, lo anterior durante 1 min 53 segundos (resultado obtenido en la
sección 5.7.4 del documento) que es el tiempo que demorará el ultracapacitor en renovar el
total de su energía en cuanto a voltaje y amperaje.
6 Babbitt: Es un metal conocido cómo metal blanco, se emplea como una capa superficial en algún elemento
complejo. Más sin embargo hoy día se usa como material de apoyo en los cojinetes de fricción.
108
El resultado que se muestra a continuación de la cantidad de gramos de combustible
consumidos y la distancia que se recorre con dicha masa, se obtuvo a partir del ANEXO G y
tomando en consideración los datos que se mencionaron anteriormente. Dicho consumo es
el que tendrá la planta motriz por cada ciclo de carga de las baterías, es decir el que se cuenta
desde el momento que el motor eléctrico consume un 80% de energía de las baterías hasta
que estas vuelven a estar a un 100% de carga.
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 = 7,93 𝑔
𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑢𝑛 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 (𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 − 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎) = 0,0646 ℎ
𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑑𝑎 𝑐𝑜𝑛 𝑑𝑖𝑐ℎ𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 = 1,56 𝑘𝑚
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 = 133,67 𝑘𝑚 𝐿⁄
Con el resultado del consumo de combustible de la planta motriz, se puede observar que el
diseño y la selección de los componentes que conforman el sistema de propulsión del
vehículo urbano aplicado a la Eco Shell Marathon son bastante acertados; lo anterior, porque
se evidencia una muy buena relación entre la distancia recorrida por el vehículo, respecto al
litro de combustible del que dispone y que es otorgado por la compañía Shell. En
comparación con los resultados que se han venido obteniendo en la competencia en los
últimos años, se encontró que con el consumo relacionado anteriormente; se pueden llegar a
disputar los primeros 4 lugares de la competencia.
5.11 PESO DE LA PLANTA MOTRIZ
Teniendo todos los componentes y sistemas de la planta motriz, es necesario realizar el
cálculo de la masa y peso total de todo el conjunto. A continuación se muestra una tabla con
cada uno de los componentes y el peso relacionado a los mismos.
COMPONENTE MASA [kg] PESO [N]
Chumacera 1,711 16,779
Eje de tracción 7,320 71,789
Plato del Eje de tracción 0,493 4,834
Cadena entre el plato del eje
de tracción y el plato para el
eje del motor eléctrico.
0,508 4,982
Plato del Motor Eléctrico 0,487 4,776
109
COMPONENTE MASA [kg] PESO [N]
Motor Eléctrico 1,905 18,682
Soporte del Motor Eléctrico 0,350 3,432
Controlador de Velocidad 0,456 4,472
Ultracapacitor 5,500 53,938
Alternador 2,804 27,499
Soporte del Alternador 0,427 4,187
Piñón para el eje del
Alternador 0,124 1,216
Cadena entre el piñón del
Alternador y el piñón del
Motor Pistón
0,211 2,069
Piñón para el eje del Motor
Pistón 0,120 1,177
Acople del Exosto al Motor
Pistón 0,006 0,059
Exosto del Motor Pistón 0,689 6,757
Motor Pistón 5,831 57,243
Soporte del Motor Pistón 1,511 14,818
Tapa del Tanque de
Combustible 0,060 0,588
Tanque de Combustible 0,445 4,364
Soporte para el Tanque de
Combustible 0,300 2,942
Manguera Caucho – Lona
(1m) 0,200 1,961
Cable para las líneas de
Corriente (Diferentes
Calibres)
0,476 4,903
Tornillería 1,450 14,220
TOTAL 33,300 326,573
Tabla 18. Masas y Pesos de todos los Componentes de la Planta Motriz.
110
De acuerdo a la masa y peso de la planta motriz que se calculó en la tabla 18. Se analiza que
el conjunto motor equivale al 15,8% del peso máximo vacío [2060 N] del vehículo urbano
aplicado a la Shell Eco Marathon.
5.12 DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADOR
En esta sección se mostrará el diseño asistido por computador de cada uno de los sistemas
diseñados y componentes seleccionados para la planta motriz del vehículo urbano. Cada
elemento establecido cómo CAD se asocia con el ANEXO G, donde se encontrarán los
planos detallados de cada componente y sus respectivos ensambles.
COMPONENTES DE LA PLANTA MOTRIZ EN CAD
5.12.1 Chumacera
Figura 93. Chumacera en CAD.
5.12.2 Eje
Figura 94. Eje en CAD.
5.12.3 Rueda dentada para el eje de
tracción
Figura 95. Rueda dentada conducida en
CAD.
5.12.4 Cadena de transmisión de
potencia entre motor eléctrico
y eje de tracción
Figura 96. Cadena 1 en CAD.
111
COMPONENTES DE LA PLANTA MOTRIZ EN CAD
5.12.5 Rueda dentada para el eje del
motor eléctrico
Figura 97. Rueda dentada conductora en
CAD.
5.12.6 Motor eléctrico
Figura 98. Motor eléctrico en CAD.
5.12.7 Controlador de velocidad
Figura 99. Controlador de velocidad en CAD.
5.12.8 Ultracapacitor
Figura 100. Ultracapacitor en CAD.
112
COMPONENTES DE LA PLANTA MOTRIZ EN CAD
5.12.9 Alternador
Figura 101. Alternador en CAD.
5.12.10 Piñón para el eje del
alternador y para el eje del
motor de combustión interna
Figura 102. Piñón en CAD.
5.12.11 Cadena de transmisión de
potencia entre motor de
combustión interna y
alternador
Figura 103. Cadena 2 en CAD.
5.12.12 Motor recíproco de
combustión interna
Figura 104. Motor recíproco en CAD.
113
COMPONENTES DE LA PLANTA MOTRIZ EN CAD
5.12.13 Soporte del motor eléctrico
Figura 105. Soporte del motor eléctrico en
CAD.
5.12.14 Soporte del alternador
Figura 106. Soporte del alternador en CAD.
5.12.15 Soporte del motor de
combustión interna
Figura 107. Soporte del motor recíproco en
CAD.
5.12.16 Soporte para el tanque de
combustible
Figura 108. Soporte del tanque de
combustible en CAD.
114
COMPONENTES DE LA PLANTA MOTRIZ EN CAD
5.12.17 Tanque de combustible
Figura 109. Tanque de combustible en
CAD.
5.12.18 Manguera de alimentación de
combustible
Figura 110. Manguera de combustible en
CAD.
5.12.19 Sello y/o acople del sistema de
escape
Figura 111. Acople de exosto en CAD.
5.12.20 Exosto
Figura 112. Exosto en CAD.
Tabla 18. Componentes de la planta motriz en CAD.
Luego de establecer todos los componentes diseñados y seleccionados en CAD; se procedió
a ensamblar la planta motriz, para así tener una representación y enfoque espacial del sistema
de propulsión del vehículo urbano, de lo que resulta lo mostrado en la Figura 112.
115
Figura 113. Planta motriz ensamblada en CAD.
5.13 ANÁLISIS DE COSTOS
Esta sección determina la proyección de los costos de todos y cada uno de los componentes
que conforman la planta motriz del vehículo urbano aplicado a la Shell Eco Marathon. En la
proyección se incluirán costos de mano de obra, transporte y demás aspectos relacionados
con el personal para la construcción. El costo también tiene en cuenta el valor del flete e
impuestos tanto aduaneros como del régimen de comercio en caso tal que aplique, es decir
en el caso de las importaciones y productos con IVA.
COSTO DE LOS COMPONENTES DE LA PLANTA MOTRIZ
Componente Cantidad Precio Unitario
(COP) Total (COP)
1. Material para elaboración del
banco de montaje de la planta
motriz y soportes de los
diferentes componentes –
(Madera MDF 12 cm de espesor
1¼ de tabla).
1 $34.100= $34.100=
116
COSTO DE LOS COMPONENTES DE LA PLANTA MOTRIZ
Componente Cantidad Precio Unitario
(COP) Total (COP)
2. Eje – (Barra circular de 1½” X
0,8m). Acero AISI 4140. 1 $90.000= $90.000=
3. Chumacera – (UCP 208-24 de
1½”). 2 $20.000= $40.000=
4. Motor eléctrico – (Brushless
out runner rotomax 80cc). 1 $850.000= $850.000=
5. Controlador de velocidad –
(Turnigy Dlux 250A HV 14s
60v ESC).
1 $620.000= $620.000=
6. Micro controlador –
(Controlador electrónico de un
canal para variar voltaje y así la
velocidad del motor eléctrico).
1 $38.000= $38.000=
7. Ultracapacitor – (Maxwell 16V
large module). 1 $1’420.000= $1’420.000=
8. Alternador – (Bosch mitsubishi
98A 12V). 1 $73.600= $73.600=
9. Piñón del alternador –
(Fabricación manual con uso de
CNC, 11 dientes y 1,5 cm
interno).
1 $42.000= $42.000=
10. Componentes secundarios de la
planta motriz – (Tornillos de
sujeción, tornillos de soporte,
pernos de contención,
escuadras de refuerzo,
arandelas, tuercas, amarres re-
utilizables, caimanes,
terminales, aerosol para detallar
montaje y elementos de
soldadura).
- $176.900= $176.900=
117
COSTO DE LOS COMPONENTES DE LA PLANTA MOTRIZ
Componente Cantidad Precio Unitario
(COP) Total (COP)
11. Rueda dentada acoplada al eje
de tracción – (1½” interno con
44 dientes).
1
Kit de
conversión.
$860.000=
Kit de
conversión.
$860.000=
12. Rueda dentada acoplada al eje
del motor eléctrico – (1 cm
interno con 44 dientes).
1
13. Cadena británica de conexión
entre eje de tracción y eje del
motor eléctrico – (Número 40
ref. 08B con paso de ½”).
1
14. Cadena británica de conexión
entre eje del alternador y eje del
motor recíproco – (Número 16
ref. 08B con paso de ½”).
1
15. Piñón del motor de combustión
interna – (11 Dientes con 1,5
cm de diámetro interno).
1
16. Tanque de combustible, tapa
del tanque y manguera para el
combustible – (Fabricado en
acero de baja densidad con
terminación en pintura negra de
poliuretano).
1
17. Exosto y sello o acople –
(Fabricación en acero
inoxidable y terminación en
cromo; el acople es fabricado en
madera cemento con resistencia
a la fluctuación térmica).
1
18. Motor de combustión interna –
(Gasbike storm 49cc de cuatro
tiempos con clutch centrifugo,
lubricación con aceite 15W50
semisintético, refrigeración por
impacto de aire y a su vez por
aditivos del aceite).
1
118
COSTO DE LOS COMPONENTES DE LA PLANTA MOTRIZ
Componente Cantidad Precio Unitario
(COP) Total (COP)
19. Elementos de seguridad para la
construcción – (Gafa northon
de protección transparente,
guantes pemex y overol).
- $57.400= $114.800=
20. Transporte, costos de
rodamiento y estacionamiento
para el compendió de compras.
- $79.000= $79.000=
21. Mano de obra – (2 ingenieros
aeronáuticos de la Universidad
de San Buenaventura que
realicen el montaje y
conexiones pre-establecidas
para el funcionamiento de la
planta motriz).
64
Horas/Hombre $720.031= [80] $720.050= [78]
TOTAL $5’158.450=
Tabla 19. Análisis de costos de la construcción de la planta motriz.
En base al costo total de construcción de la planta motriz, se evidenció la viabilidad de llevar
a cabo el prototipo y así tener un acercamiento a resultados experimentales de lo que se
esperaba del funcionamiento de todo el sistema de propulsión como conjunto.
119
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones
Calculando los parámetros iniciales y utilizando los resultados obtenidos de
Potencia, Torque y RPM’s como el punto de partida; se pudo establecer el correcto
dimensionamiento del eje y posteriormente la selección y diseño de los componentes
de la planta motriz del vehículo de concepto urbano.
Es necesario asumir las pérdidas que se tienen en la transmisión de potencia; porque
de no ser así, se pueden cometer errores en el criterio de selección de cada uno de
los componentes primarios de la planta motriz.
Luego de analizar los tipos y elementos de transmisión de potencia en la sección eje
de tracción – motor eléctrico, se encontraron todas las ventajas que acompañan el
uso de la cadena y por qué prevalecía sobre la correa para transmitir potencia; por
lo que se asumió y decidió utilizar este mismo sistema en la sección de alternador –
motor pistón.
Entre más grande sea el motor eléctrico, mayor será su consumo energético; pero se
debe tener en cuenta que el motor eléctrico de menor tamaño que trabaje en sus
límites operacionales, puede llegar a superar el consumo energético del motor más
grande en unas mismas condiciones de operación.
Se debe hacer uso de un elemento que controle los parámetros mecánicos y de
operación del motor eléctrico, en este caso es el controlador de velocidad, el que
actúa como cerebro y ordena al motor que limite sus especificaciones, hasta llegar a
los parámetros que el usuario de la planta motriz desea obtener.
Así como la cantidad de energía [Ah] que contiene un Ultracapacitor define el
tiempo de descarga; dicha capacidad también define la condición del tiempo de
carga. Lo anterior porque entre más cantidad de energía exista para extraer, es mayor
la cantidad de energía que se debe suministrar para lograr el full de carga del
dispositivo; aquí también influyen características de los fabricantes en cuanto a ratas
de carga y descarga.
El componente alternado encargado de suministrar la energía eléctrica al dispositivo
de almacenamiento de energía, tiene un punto en el que su gráfica de rendimiento
se comienza a tornar constante, es decir que por más que se le suministre energía
mecánica (RPM’s), este llega a su límite de corriente transformada y de allí no pasa.
Este límite es entregado por el fabricante, en los manuales de funcionamiento y
especificaciones del alternador.
Debido a la baja densidad del material para la fabricación del Exosto, se encontró
que será de gran resistencia térmica, corrosiva y con un bajo índice de masa por la
geometría empleada. Los parámetros limitantes para la geometría del colector de
escape y del tubo de escape en sí, vienen dados por la normatividad de la Eco Shell
120
Maratón y primordialmente por el concepto de que los gases deben ser expulsados
al exterior del vehículo.
Dado que el suministro de combustible en el motor recíproco seleccionado, funciona
bajo el principio de gravedad y excavación; la línea de combustible no fue necesario
diseñarla de manera tan robusta y respetando una cierta vía. Por el contrario el
posicionamiento del tanque se definió en base a centros de masa y de gravedad del
soporte que se diseñó para dicho componente.
De acuerdo a los cálculos y selecciones realizadas; la mejor aproximación inicial del
motor híbrido encontrada en el mercado, consta de los siguientes elementos: (2
Chumaceras UCP 208-24 de 1½” Interno, Eje Macizo de Acero AISI 4140 de 1½”
con 0.8m de largo, Plato de 1½” interno con 44 dientes, Cadena Británica Número
40 ref. 08B con paso de ½”, Motor Eléctrico Rotomax 80CC, Controlador de
Velocidad Turnigy Dlux 250A HV 14s 60v ESC, Ultracapacitor 16V Maxwell
Large Module, Alternador Bosch Mitsubishi 98A 12V, Piñones de 1.5 cm interno
con 11 dientes, Cadena Británica Número 16 ref. 08B con paso de ½”, Motor Pistón
Gas Bike Storm 49CC, Exosto de Acero Inoxidable y Tanque de Combustible de
Acero de Baja Densidad).
Recomendaciones
Es necesario realizar la caracterización del Motor Eléctrico seleccionado, con el fin
de obtener datos mucho más precisos y exactos en cuanto al consumo energético a
diferentes relaciones de Peso, Torque, Potencia y Velocidad Angular, que dicho
componente puede llegar a tener.
En caso de caracterizar el motor eléctrico, se debe realizar nuevamente un análisis
del tiempo de descarga del ultracapacitor, ya que muy seguramente dicho tiempo
aumentará, debido a que no se contemplarán porcentajes de error, ni factores de
seguridad inexistentes.
Se deben tener presentes las conexiones del conjunto motor eléctrico, controlador
de velocidad, ultracapacitor y alternador, porque un error en estas conexiones
conlleva al daño de los componentes que resultan ser de costos considerables; por
otra parte, el trabajar con flujos de corriente sin tener la experiencia y/o debidas
precauciones, puede resultar en daños al usuario o persona que manipule la planta
motriz.
Es necesario realizar la caracterización del Motor de combustión interna
seleccionado, para así obtener un consumo especifico de combustible más detallado
en la operación de transmitir energía mecánica al alternador; de esta manera se
obtienen cálculos más exactos del consumo en [Kilómetros por Litro].
En esta sección se hará la recomendación a todo el proyecto de investigación
institucional “Diseño de un Vehículo Concepto Urbano Aplicado a la Competencia
Shell Eco Marathon” en cuanto a la reducción en el peso máximo del vehículo
121
incluyendo tripulante. Para establecer esta recomendación, se realizó la siguiente
tabla donde datan los porcentajes de reducción y el nuevo consumo de combustible
de todo el vehículo urbano en base a dichas reducciones. Este cálculo se estableció
con la misma planta motriz mostrada en el proyecto, es decir sin la selección de
nuevos componentes o re-dimensionamiento del eje y subsistemas.
Porcentaje de reducción en el
peso máximo vacío del
vehículo [%]
Consumo de combustible
[𝐾𝑚
𝐿]
Ganancia [km]
10 141,35 6,67
20 150,95 17,27
30 163,28 29,6
40 179,73 66,05
Tabla 20. Reducción del peso máximo del vehículo y re-cálculo de consumo de
combustible.
122
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1009.
126
[50] Ibid., p. 1009.
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Disponible en Internet: <http://www.maxwell.com/products/ultracapacitors/products/k2-series>.
[66] Ultracapacitores en el mercado, Maxwell 16V small modules [en línea]. [citado 08 Octubre
2013]. Disponible en Internet: <http://www.maxwell.com/products/ultracapacitors/products/16v-
small-modules>.
[67] Ultracapacitores en el mercado, Maxwell 16V large modules [en línea]. [Citado 08 Octubre
2013]. Disponible en Internet: <http://www.maxwell.com/products/ultracapacitors/products/16v-
large-modules>.
[68] Ultracapacitores en el mercado, Maxwell 48V modules [en línea]. [Citado 08 Octubre 2013].
Disponible en Internet: <http://www.maxwell.com/products/ultracapacitors/products/48v-modules>.
[69] Energía del alternador con rpm suministradas, Curva de prestaciones del alternador [en línea].
[citado 18 Octubre 2013]. Disponible en Internet: <http://densoautoparts.com/alternators>.
[70] Alternadores en el mercado, Alternadores KTC, BOSCH, DELCO, FORD e HITACHI [en
línea]. [citado 28 Octubre 2013]. Disponible en Internet: <http://www.ktc-
ep.com/index.php/products/electrical-parts/alternators>.
[71] Motores pistón 4T de bajo cilindraje en el mercado, Gas bike storm 49 cc [en línea]. [citado 14
Noviembre 2013]. Disponible en Internet: <http://www.gasbike.net/bicycle-motor-engine-kit-gas-
bike-storm-49cc.htm>.
[72] Motores pistón 4T de bajo cilindraje en el mercado, Gas bike skyhawk 49 cc [en línea]. [citado
14 Noviembre 2013]. Disponible en Internet: <http://www.gasbike.net/bike-motor-kit-grubee-2011-
skyhawk-4-g-t-belt-v.htm>.
128
[73] Motores pistón 4T de bajo cilindraje en el mercado, Chongqing royway 125F 100 cc [en línea].
[citado 14 Noviembre 2013]. Disponible en Internet: <http://spanish.alibaba.com/product-gs-
img/3hp-154f-strong-power-air-cooled-gasoline-engine-with-best-parts-good-feedbacks-2-5-17hp-
gasoline-engine-for-bicycle-1223143215.html>.
[74] Motor de arranque seleccionado, Lead SH/Speedfight [en línea]. [citado 20 Noviembre 2013].
Disponible en Internet:
<http://www.vicma.es/epages/Vicma.sf/es_ES/?ObjectPath=/Shops/Vicma/Products/15621>.
[75] Sistema de suministro de combustible, Manguera caucho – lona para gasolina [en línea]. [citado
29 Noviembre 2013]. Disponible en Internet: <http://www.aeroplans-blaus.com/1351-
thickbox/manguera-gasolina-8mm.jpg>.
[76] Sistema de combustible, Tanque de combustible de acero de baja densidad para ciclomotor [en
línea]. [citado 26 Noviembre 2013]. Disponible en Internet:
<http://static.wix.com/media/d1365a_dad847ee9a925154017f661bf7b9e57f.jpg_256>.
[77] Sistema de sellos y empaques, Sellos para el motor [en línea]. [citado 12 Diciembre 2013].
Disponible en Internet: <http://www.gutzuki.com/imagenes_mer/ventas_img_gutzuki/000027.JPG>.
[78] FINANZAS PERSONALES, Salario por hora de Ingeniero Aeronáutico de la Universidad de
San Buenaventura [en línea]. Bogotá D.C., 2001-2011. [citado 16 Enero 2014]. Disponible en
Internet: <http://www.finanzaspersonales.com.co/calculadoras/articulo/salarios-profesion-para-
graduados/45541>.
129
ANEXO A. DIAGRAMA DE FLUJO PARA CÁLCULO DE PARÁMETROS INICIALES
INICIO
𝑚, 𝑉, 𝑡, ø, 𝜇𝑆, 𝜇𝐾, 𝜂𝑆
𝑟 =ø
2
𝑃𝑂 = 2 ∙ 𝜋 ∙ 𝑟
𝑊 = 𝑚 ∙ 𝑔
∑ 𝐹𝑦 = 0
𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅3 + 𝑅4 = 𝑊
𝑅1 = 𝑅2 = 𝑅3 = 𝑅4 =𝑊
4
𝐹𝑓𝑠 = 𝜇𝑆 ∙ 𝑁 = 𝜇𝑆 ∙ 𝑅
𝐹𝑓𝐾 = 𝜇𝐾 ∙ 𝑁 = 𝜇𝐾 ∙ 𝑅
1
130
1
𝐹𝑓1 = 𝐹𝑓2 = 𝐹𝑓3 = 𝐹𝑓4
𝜇 ∙ 𝑅1 = 𝜇 ∙ 𝑅2 = 𝜇 ∙ 𝑅3 = 𝜇 ∙ 𝑅4
𝐹𝑓𝑠 = 𝜇𝑆 ∙ 𝑊
𝐹𝑓𝑘 = 𝜇𝐾 ∙ 𝑊
𝐹𝑓𝑠′ = (𝜇𝑆 ∙ 𝑅3) + (𝜇𝑆 ∙ 𝑅4)
(𝜇𝑆 ∙ (𝑅3 + 𝑅4)) ∙ 𝜂𝑆 = 𝜇𝑆 ∙𝑊
2∙ 𝜂𝑆
𝐹𝑓𝑘′ = 𝜇𝐾 ∙𝑊
2∙ 𝜂𝑆
𝜔 =[(𝑉
𝑚𝑖𝑙𝑙𝑎𝑠ℎ
∙1609,344 𝑚
1 𝑚𝑖𝑙𝑙𝑎∙
1ℎ60 𝑚𝑖𝑛)]
𝑃𝑂
𝛼 =𝜔
𝑡
2
131
𝑇 (𝑀𝑒𝑐á𝑛𝑖𝑐𝑜)
= 𝐹 ∙ 𝑟 ∙ 𝑠𝑒𝑛𝜃
𝑇 (𝐼𝑛𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎)
= 𝑚 ∙ 𝑟2 ∙ 𝛼
𝑇𝑆 = 𝐹𝑓𝑠 ∙ 𝑟
2
𝑇𝐾 = 𝐹𝑓𝑘 ∙ 𝑟
𝑇𝑠′ = 𝐹𝑓𝑠′ ∙ 𝑟
𝑇𝑘′ = 𝐹𝑓𝑘′ ∙ 𝑟
𝑃 = 𝑇 ∙ 𝜔
𝑃𝑠 = 𝑇𝑠 ∙ 𝜔
3
132
3
𝑃𝑠′ = 𝑇𝑠′ ∙ 𝜔
𝑃 (𝐼𝑛𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎) = 𝑇 (𝐼𝑛𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎) ∙ 𝜔
FIN
133
ANEXO B. CARACTERÍSTICAS DE MATERIAL ACERO AISI 4140
134
ANEXO C. DIAGRAMA DE FLUJO PARA CÁLCULO DE DIMENSIONES DEL EJE
INICIO
𝑇, 𝑀. 𝐾𝑡𝑖, 𝐾𝑡𝑠𝑖, 𝑎, 𝑏,
𝑆𝑢𝑡, 𝐾𝑏 , 𝐾𝑐 , 𝐾𝑑 ,
𝐾𝑒 , 𝐾𝑓𝑒 , 𝑆𝑢𝑡, 𝜂, 𝜌, 𝑙.
𝑇 = 𝑇𝑎
𝑇𝑚 =𝑇𝑎
2
𝑀 = 𝑀𝑎
𝑀𝑚 =𝑀𝑎
2
𝐾𝑡𝑖 = 𝐾𝑓𝑖
𝐾𝑡𝑠𝑖 = 𝐾𝑓𝑠𝑖
𝐾𝑎 = 𝑎 ∙ 𝑆𝑢𝑡𝑏
1
135
FIN
1
𝑆𝑒𝑖 = 𝐾𝑎 ∙ 𝐾𝑏 ∙ 𝐾𝑐 ∙ 𝐾𝑑 ∙ 𝐾𝑒 ∙ 𝐾𝑓𝑒 ∙ 𝑆𝑢𝑡
𝐴 = √4 ∙ (𝐾𝑓𝑖 ∙ 𝑀𝑎)2
+ 3 ∙ (𝐾𝑓𝑠𝑖 ∙ 𝑇𝑎)2
𝐵 = √4 ∙ (𝐾𝑓𝑖 ∙ 𝑀𝑚)2
+ 3 ∙ (𝐾𝑓𝑠𝑖 ∙ 𝑇𝑚)2
𝑑𝑖𝑔𝑜 = [16 ∙ 𝜂
𝜋∙ (
𝐴
𝑆𝑒𝑖+
𝐵
𝑆𝑢𝑡)]
13⁄
𝑑𝑖𝑔𝑒 = [8 ∙ 𝜂 ∙ 𝐴
𝜋 ∙ 𝑆𝑒𝑖∙ {1 + (1 + (
2 ∙ 𝐵 ∙ 𝑆𝑒𝑖
𝐴 ∙ 𝑆𝑢𝑡)
2
)
12⁄
}]
13⁄
𝑚 = 𝜌 ∙ 𝑣 = 𝜌 ∙ 𝜋 ∙(𝑑)2
4∙ 𝑙
136
ANEXO D. DIAGRAMA DE FLUJO PARA CÁLCULO DE TIEMPO DE DESCARGA
DE SÚPER CAPACITORES
INICIO
[𝐶, 𝑣, ] “Ultracapacitor”
[𝐼𝑚á𝑥, 𝑃𝑚á𝑥, 𝑃𝑐𝑜𝑛] “Motor eléctrico”
𝑞(𝐴𝑠) = 𝐶 ∙ 𝑣
𝑞 (𝐴ℎ) = 𝑞 ∙ [𝐴𝑠 ∙1𝐻𝑜𝑟𝑎
3600 𝑆𝑒𝑔]
𝐷𝑇𝑀á𝑥 =𝑞(𝐴ℎ)
𝐼𝑚á𝑥∙
60𝑚𝑖𝑛
1𝐻𝑜𝑟𝑎
𝐼𝑐𝑜𝑛 =𝑃𝑐𝑜𝑛 ∙ 𝐼𝑚á𝑥
𝑃𝑚á𝑥
𝐷𝑇𝑐𝑜𝑛 =𝑞
𝐼𝑐𝑜𝑛∗
60𝑚𝑖𝑛
1 𝐻𝑜𝑟𝑎
FIN
137
ANEXO E. DIAGRAMA DE FLUJO PARA CÁLCULO DE TIEMPO DE CARGA DE
SÚPER CAPACITORES
INICIO
𝑖𝑚á𝑥, 𝑉𝑐𝑡𝑒, 𝑞(𝐴ℎ), 𝜂𝑆 “Ultracapacitor”
𝑉𝐴𝑐𝑡𝑒 “Alternador”
𝑃 (𝑊ℎ) = 𝑉𝑐𝑡𝑒 ∙ 𝑞(𝐴ℎ)
𝑃𝑚á𝑥(𝑊) = 𝑉𝑐𝑡𝑒 ∙ (𝐼𝑚á𝑥
𝜂𝑆)
𝑃𝑠𝑢𝑚(𝑊) = 𝑉𝐴𝑐𝑡𝑒 ∙ (𝐼𝑚á𝑥
𝜂𝑆)
𝐶𝑇 =𝑃(𝑊ℎ)
𝑃𝑠𝑢𝑚(𝑊)∙
60𝑚𝑖𝑛
1 𝐻𝑜𝑟𝑎
FIN
ChumaceraSEMPM-1
ESCALA 1:2 PESO: 16,8 [N]
18-Feb-14Dibujado
Por:
A MENOS DE QUE SE ESPECIFIQUE LOCONTRARIO, LAS DIMENSIONES ESTÁN DADAS
EN MILÍMETROS.
Diego CortésSamy Mustafa
Universidad de San BuenaventuraSede Bogotá D.C.
TÍTULO
TAMAÑOA4
PLANO No REVOriginal
HOJA 1 DE 1
Proyecto de InvestigaciónInstitucional
182
72
O 38,1
52
4
R 8,5
90
15
55
Eje de tracciónSEMPM-2
ESCALA 1:1 PESO: 71,8 [N]
18-Feb-14Dibujado
Por:Diego CortésSamy Mustafa
Universidad de San BuenaventuraSede Bogotá D.C.
TÍTULO
TAMAÑOA4
PLANO No REVOriginal
HOJA 1 DE 1
Proyecto de InvestigaciónInstitucional
Unidades: mmMaterial de Fabricación: Acero AISI 4140
Terminación: Niturado
O38
,180
0
Rueda dentada del eje de tracción
SEMPM-3ESCALA 1:2 PESO: 4,8 [N]
20-Feb-14Dibujado
Por:Diego CortésSamy Mustafa
Universidad de San BuenaventuraSede Bogotá D.C.
TÍTULO
TAMAÑOA4
PLANO No REVOriginal
HOJA 1 DE 1
Proyecto de InvestigaciónInstitucional
Unidades: mmMaterial de Fabricación: Acero SAE 1045Terminación: Maquinado con 44 Dientes
O38
,1
86
180
2,5
Unidades: mmDistancia entre Centros (C=221 mm)
Número de Dientes (Z=40)
Cadena para ruedas dentadas
SEMPM-4ESCALA 1:2 PESO: 5 [N]
20-Feb-14Dibujado
Por:Diego CortésSamy Mustafa
Universidad de San BuenaventuraSede Bogotá D.C.
TÍTULO
TAMAÑOA4
PLANO No REVOriginal
HOJA 1 DE 1
Proyecto de InvestigaciónInstitucional
221
10
Unidades: mmMaterial de Fabricación: Acero SAE 1045Terminación: Maquinado con 44 Dientes
Rueda dentada del eje del motor eléctrico
SEMPM-5ESCALA 1:2 PESO: 4,8 [N]
22-Feb-14DibujadoPor:
Diego CortésSamy Mustafa
Universidad de San BuenaventuraSede Bogotá D.C.
TÍTULO
TAMAÑOA4
PLANO No REVOriginal
HOJA 1 DE 1
Proyecto de InvestigaciónInstitucional
O 10O 5
15
180
86
2,5
A MENOS DE QUE SE ESPECIFIQUE LOCONTRARIO, LAS DIMENSIONES ESTÁN DADAS
EN MILÍMETROS
Motor eléctricoSEMPM-6
ESCALA 1:2 PESO: 18,7 [N]
22-Feb-14DibujadoPor:
Diego CortésSamy Mustafa
Universidad de San BuenaventuraSede Bogotá D.C.
TÍTULO
TAMAÑOA4
PLANO No REVOriginal
HOJA 1 DE 1
Proyecto de InvestigaciónInstitucional
4
617
33
13
70
69
O24
9
R 410
R55
A MENOS DE QUE SE ESPECIFIQUE LOCONTRARIO, LAS DIMENSIONES ESTÁN DADAS
EN MILÍMETROS
Controlador de velocidad
SEMPM-7ESCALA 1:2 PESO: 4,5 [N]
25-Feb-14DibujadoPor:
Diego CortésSamy Mustafa
Universidad de San BuenaventuraSede Bogotá D.C.
TÍTULO
TAMAÑOA4
PLANO No REVOriginal
HOJA 1 DE 1
Proyecto de InvestigaciónInstitucional
135
45
7118
63
10
76
45
16
19
11
A MENOS DE QUE SE ESPECIFIQUE LOCONTRARIO, LAS DIMENSIONES ESTÁN DADAS
EN MILÍMETROS
UltracapacitorSEMPM-8
ESCALA 1:5 PESO: 53,9 [N]
25-Feb-14DibujadoPor:
Diego CortésSamy Mustafa
Universidad de San BuenaventuraSede Bogotá D.C.
TÍTULO
TAMAÑOA4
PLANO No REVOriginal
HOJA 1 DE 1
Proyecto de InvestigaciónInstitucional
157
70,5
O 6,8
427
408,4
51
312
9
O 15
O 60
18
814
172
AlternadorSEMPM-9
ESCALA 1:2 PESO: 27,5 [N]
27-Feb-14DibujadoPor:
A MENOS DE QUE SE ESPECIFIQUE LOCONTRARIO, LAS DIMENSIONES ESTÁN DADAS
EN MILÍMETROS.
Diego CortésSamy Mustafa
Universidad de San BuenaventuraSede Bogotá D.C.
TÍTULO
TAMAÑOA4
PLANO No REVOriginal
HOJA 1 DE 1
Proyecto de InvestigaciónInstitucional
O 12
135
170
15
R 17,5
R 50
10
44 3930
135
9 85
R 9,5
31
174
99
Unidades: mmMaterial de Fabricación: Acero SAE 1045Terminación: Maquinado con 11 Dientes
Piñon eje del motor piston y alternador
SEMPM-10ESCALA 2:1 PESO: 1,2 [N]
20-Feb-14DibujadoPor:
Diego CortésSamy Mustafa
Universidad de San BuenaventuraSede Bogotá D.C.
TÍTULO
TAMAÑOA4
PLANO No REVOriginal
HOJA 1 DE 1
Proyecto de InvestigaciónInstitucional
O15
O32
1044
21
46
Unidades: mmDistancia entre Centros (C=130 mm)
Número de Dientes (Z=16)
Cadena para piñones
SEMPM-11ESCALA 1:1 PESO: 2,1 [N]
01-Mar-14DibujadoPor:
Diego CortésSamy Mustafa
Universidad de San BuenaventuraSede Bogotá D.C.
TÍTULO
TAMAÑOA4
PLANO No REVOriginal
HOJA 1 DE 1
Proyecto de InvestigaciónInstitucional
130
12,5
A MENOS DE QUE SE ESPECIFIQUE LOCONTRARIO, LAS DIMENSIONES ESTÁN DADASEN MILÍMETROS Y LOS ÁNGULOS EN ± 0,0°
Motor a pistónSEMPM-12
ESCALA 1:5 PESO: 57,2 [N]
01-Mar-14Dibujado
Por:Diego CortésSamy Mustafa
Universidad de San BuenaventuraSede Bogotá D.C.
TÍTULO
TAMAÑOA3
PLANO No REVOriginal
HOJA 1 DE 1
Proyecto de InvestigaciónInstitucional
O17
257
224,7
68,5
229
R 6
O 5
56,5
113 98
61
125
3
65
35
185
123
62R 13
73
18,5
A
DETAIL A
R 8,5
R 12,5
R 5,5
19,4
5,2
26,34035
1522
25
103,580
86
90
34,2
16
3837
A MENOS DE QUE SE ESPECIFIQUE LOCONTRARIO, LAS DIMENSIONES ESTÁN DADAS
EN MILÍMETROS
Soporte del motor eléctrico
SEMPM-13ESCALA 1:2 PESO: 3,4 [N]
03-Mar-14DibujadoPor:
Diego CortésSamy Mustafa
Universidad de San BuenaventuraSede Bogotá D.C.
TÍTULO
TAMAÑOA4
PLANO No REVOriginal
HOJA 1 DE 1
Proyecto de InvestigaciónInstitucional
100
1515
69
70
35
126212
30
110
A MENOS DE QUE SE ESPECIFIQUE LOCONTRARIO, LAS DIMENSIONES ESTÁN DADAS
EN MILÍMETROS
Soporte del alternadorSEMPM-14
ESCALA 1:2 PESO: 4,2 [N]
03-Mar-14Dibujado
Por:Diego CortésSamy Mustafa
Universidad de San BuenaventuraSede Bogotá D.C.
TÍTULO
TAMAÑOA4
PLANO No REVOriginal
HOJA 1 DE 1
Proyecto de InvestigaciónInstitucional
130
12
129
12
O 12
17,5
22 2010
26,4
130
12
85
Unidades: mmMaterial de Fabricación: AluminioTerminación: Moldeado de Lámina
Soporte del motor pistón
SEMPM-15ESCALA 1:1 PESO: 14,8 [N]
03-Mar-14DibujadoPor:
Diego CortésSamy Mustafa
Universidad de San BuenaventuraSede Bogotá D.C.
TÍTULO
TAMAÑOA4
PLANO No REVOriginal
HOJA 1 DE 1
Proyecto de InvestigaciónInstitucional
2
106
27
10 20
29
1020
22
162
Unidades: mmMaterial de Fabricación: MDF
Terminación: Pintura
Soporte del tanque de combustible
SEMPM-16ESCALA 1:2 PESO: 2,9 [N]
03-Mar-14Dibujado
Por:Diego CortésSamy Mustafa
Universidad de San BuenaventuraSede Bogotá D.C.
TÍTULO
TAMAÑOA4
PLANO No REVOriginal
HOJA 1 DE 1
Proyecto de InvestigaciónInstitucional
12
220
R 6,5
32
6,5O
350
11
120
62
Unidades: mmMaterial de Fabricación: Acero de Baja
DensidadTerminación: Pintura Negra Brillante
Tanque de combustibleSEMPM-17
ESCALA 1:5 PESO: 4,4 [N]
06-Mar-14Dibujado
Por:Diego CortésSamy Mustafa
Universidad de San BuenaventuraSede Bogotá D.C.
TÍTULO
TAMAÑOA4
PLANO No REVOriginal
HOJA 1 DE 1
Proyecto de InvestigaciónInstitucional
339,5
195,5
15,2
28
120
62
107
31
19 72 1 30
DibujadoPor:
A MENOS DE QUE SE ESPECIFIQUE LOCONTRARIO, LAS DIMENSIONES ESTÁN DADAS
EN MILÍMETROS.
Diego CortésSamy Mustafa
Universidad de San BuenaventuraSede Bogotá D.C.
TÍTULOAcople del exosto al motor pistón
TAMAÑOA4
PLANO No SEMPM-18 REVOriginal
ESCALA 2:1 PESO: 0,059 [N] HOJA 1 DE 1
06-Mar-14
Proyecto de InvestigaciónInstitucional
53
O 7
O 22
345
Unidades: mmMaterial de Fabricación:: Acero Inoxidable
Terminación: Cromado Superficial
ExostoSEMPM-19
ESCALA 1:5 PESO: 6,8 [N]
06-Mar-14DibujadoPor:
Diego CortésSamy Mustafa
Universidad de San BuenaventuraSede Bogotá D.C.
TÍTULO
TAMAÑOA4
PLANO No REVOriginal
HOJA 1 DE 1
Proyecto de InvestigaciónInstitucional
O7
O22
R6,5
201
50
225
O12
O14
R25
25
50
Unidades: mmMaterial de Fabricación:: MDF Madera 12 mmTerminación: Negro Mate Pintura Sintética
Banco para el montajeSEMPM-20
ESCALA 1:10 PESO: N/A
06-Mar-14DibujadoPor:
Diego CortésSamy Mustafa
Universidad de San BuenaventuraSede Bogotá D.C.
TÍTULO
TAMAÑOA4
PLANO No REVOriginal
HOJA 1 DE 1
Proyecto de InvestigaciónInstitucional
700
14°650
R 10
185
185
135
250
128
51
37
73
270
37
1000
133
390
700
12
12
750
DibujadoPor:
Se señalan una a una las piezas queconforman la planta motriz diseñadapara el vehículo de concepto urbano.
Diego CortésSamy Mustafa
Universidad de San BuenaventuraSede Bogotá D.C.
TÍTULO Ensamble finalTAMAÑO
A2PLANO No SEMPM-21 REV
Original
ESCALA 1:5 PESO: 326,6 [N] Hoja 1 de 1
14-Mar-14
Proyecto de InvestigaciónInstitucional
2
34
5
6
7
89
10
11
12
1314
15
16
1718
19
1 Chumacera
Eje de tración
Rueda dentada del eje de tración
Rueda dentada para motor eléctrico
Motor eléctricoControlador de velocidad
UltracapacitorAlternador
Piñón del eje del alternador
Motor pistón
Soporte del motor eléctrico
Soporte del alternador
Soporte del motor pistón
Soporte del tanque de combustibleTanque de combustibleExosto
Banco de la planta motriz
21
1
11
1
11
1
11
1
11
1
1
11
1
Cadena para ruedas dentadas
Cadena para piñones
N° Pieza Denominación Cant.
UCP-208-24AISI 4140-1 1/2 "
40 A 44# 40 08B paso 1/2"
40 A 44
Rotomax 80cc
250A HV 14s 60v ESC
Maxwell 16V
Bosch 98A 12V16 A 11
# 16 08B paso 1/2"
Gasbike 49ccSEMPM-13
SEMPM-14
SEMPM-15
SEMPM-16
SEMPM-19
SEMPM-17
SEMPM-18
Referencia
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11
12
13
14
15
17
18
19
16
159
ANEXO G DIAGRAMA DE FLUJO PARA CÁLCULO DEL CONSUMO TOTAL DE
COMBUSTIBLE DE LA PLANTA MOTRIZ
INICIO
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 @ 𝑟𝑝𝑚, 𝑆𝐹𝐶 "𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑝𝑖𝑠𝑡ó𝑛"
𝑟𝑝𝑚 − 𝐴 "𝐴𝑙𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑑𝑜𝑟"
𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎, 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 "𝑈𝑙𝑡𝑟𝑎𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑜𝑟"
𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 "𝑉𝑒ℎí𝑐𝑢𝑙𝑜 𝑢𝑟𝑏𝑎𝑛𝑜"
𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 "𝐶𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒"
𝑃 𝐺𝑖𝑟𝑎𝑟 𝑎𝑙𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑑𝑜𝑟 (𝑊) = 𝑃@𝑟𝑝𝑚 ∙ 𝑟𝑝𝑚 − 𝐴
𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 (ℎ) =
(𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 (𝑠𝑒𝑔) ∙1𝑚𝑖𝑛
60 𝑠𝑒𝑔+ 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 (𝑚𝑖𝑛)) ∙
1ℎ𝑜𝑟𝑎
60𝑚𝑖𝑛𝑠
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 (𝑔) =
𝑃𝐺𝐴 (𝑊)
1000 ∙ 𝑇𝐶(ℎ) ∙ 𝑆𝐹𝐶 (𝑘𝑊ℎ)
𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 (ℎ) =
(𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 (𝑠𝑒𝑔) ∙1𝑚𝑖𝑛
60 𝑠𝑒𝑔+ 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 (min)) ∙
1ℎ𝑜𝑟𝑎
60𝑚𝑖𝑛𝑠
1
160
FIN
𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 (𝐷𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑦 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎) [ℎ] =
𝐷𝑇𝑐𝑜𝑛 + 𝐶𝑇
𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑑𝑎 (𝑘𝑚) = 𝑉 ∙ 𝑇𝐶
1
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 (𝑘𝑚
𝐿) = 𝜌 𝐶𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 (
𝑔
𝐿) ∗
𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑑𝑎 (𝑘𝑚)
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 (𝑔)
161
ANEXO H CONSTRUCCIÓN DE LA PLANTA MOTRIZ
En este anexo se realizará la descripción general del proceso de construcción de la planta
motriz, se debe tener en cuenta que se utilizó el 91% de los componentes diseñados y
seleccionados a lo largo del proyecto, exceptuando el ultracapacitor que por cuestiones de
costo y las implicaciones de importación, fue imposible de adquirir. A cambio de este
componente, se utilizó una batería tipo LiPo de 6 celdas para un total de 22,2V y energía de
5000mAh, junto a esta batería se utilizó el cargador LiPo Imax B6 con fuente 5A, que es
especial para este tipo de elementos. Cómo es necesario realizar la excitación para el
bobinado del alternador con una fuente que brinde potencial eléctrico, se utilizó una batería
pequeña de plomo con capacidad de 12V la cual suple la función del ultracapacitor; es decir
que se utilizaron 3 componentes extras dada la no disponibilidad del ultracapacitor
seleccionado.
Figura 114. Mosaico de la elaboración del banco para la planta motriz.
162
Luego de tener elaborado el banco donde se ensamblarían todos los componentes de la planta
motriz, se procedió a realizar un pre-ordenamiento de las piezas a instalar, esto con el fin de
tener una idea más clara de la ubicación de todos y cada uno de los componentes.
Figura 115. Mosaico del pre-ordenamiento de los componentes en el banco.
Continuando con el proceso de construcción, se procedió a pintar el banco y los soportes de
los componentes que fueron previamente fabricados; esto con el fin de dar un terminado más
pulido, pulcro, con nociones de mayor resistencia estructural y posible diseño final del
contorno de la planta motriz.
Figura 116. Mosaico de la pintada del banco.
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Terminado el proceso de pintura, se comenzó con el ensamble de los componentes y los
soportes; para luego proceder con el anclaje al banco de la planta motriz y por último mostrar
el diseño final, relacionado con la Figura 117.
Figura 117. Mosaico del ensamble de soportes y componentes.
Figura 118. Diseño final de la planta motriz construida.
