Proyecto Taller de Investigación CVT PDF

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Implementación de un banco de pruebas para configuración de CVT en carro del instituto, diseñado por alumnos, para dar una mejora en él....

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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE QUERÉTARO BAJA SAE ITQ

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BANCO DE PRUEBAS PARA CONFIGURACIÓN DE CVT

ÍNDICE Tema.................................................................................................................................................. 1 Resumen.......................................................................................................................................... 1 Preguntas de investigación............................................................................................................ 2 General......................................................................................................................................... 2 Específico..................................................................................................................................... 2 Planteamiento del problema.......................................................................................................... 3 Objetivos...........................................................................................................................................4 General......................................................................................................................................... 4 Específico.....................................................................................................................................4 Marco teórico...................................................................................................................................4 Métodos de investigación.............................................................................................................13 Experimental..............................................................................................................................13 Enfoque cualitativo y cuantitativo............................................................................................13 Técnicas de investigación............................................................................................................14 Bibliográfica................................................................................................................................14 Taller mecánico..........................................................................................................................14 Encuesta.....................................................................................................................................15 Software......................................................................................................................................16 Método de análisis........................................................................................................................16 Gráficas.......................................................................................................................................16

Manufactura...............................................................................................................................16 Análisis mecánico......................................................................................................................16 Interpretativo y cualitativo.........................................................................................................17 Presupuesto...................................................................................................................................17 Gráfica de Gantt............................................................................................................................18 Hipótesis.........................................................................................................................................18 Justificación....................................................................................................................................19 Bibliografía.......................................................................................................................................19

TEMA Banco de pruebas para configuración de CVT BAJA SAE ITQ en el periodo enerojunio 2019 del Tecnológico Nacional de México-Instituto Tecnológico de Querétaro. RESUMEN El proyecto BAJA SAE ITQ es un proyecto académico integrado por estudiantes del Instituto Tecnológico de Querétaro, en este proyecto se dedican al diseño y manufactura de un auto de carreras todo terreno bajo las normas de SAE (Sociedad de Ingenieros Automotrices, por sus siglas en inglés). Este equipo fue instituido para fortalecer la formación académica de los estudiantes de ingeniería brindándoles experiencia que los ayude a establecer un perfil profesional que les permita posicionarse en las mejores empresas de la industrial. Actualmente utilizan una polea CVT que es un tipo de transmisión semiautomática que puede cambiar la relación de cambio a cualquiera de sus límites según las necesidades de la marcha. Cuenta con dos poleas y una cadena. La principal limitación de este tipo de caja de cambios se encuentra en el par que puede transmitir la correa o cadena. La posibilidad de variar continuamente la relación de transmisión hace que el motor pueda trabajar siempre en el régimen de potencia máxima lo que implica una aceleración mucho mayor, un parámetro importantísimo en competición. Este tipo de poleas se utiliza en vehículos de distintas marcas en varios autos de transmisión automática, aunque su uso más común y extendido es en las motocicletas, por su sencillez para su reparación, por el poco espacio que ocupa y para un mayor aprovechamiento del motor. Realizar un banco de pruebas para la configuración de la Polea CVT del equipo es primordial para impulsar el equipo a alcanzar los objetivos del equipo ya que esto les permitirá alcanzar el máximo potencial de su prototipo. Con esta investigación nos interesa conocer a fondo el funcionamiento teórico de la CVT, entender cómo hacer un banco de pruebas y posteriormente poder dar un uso práctico de la información obtenida en el proyecto BAJA SAE ITQ, ésta investigación nos ayudará a estimar el comportamiento de la transmisión, y por ende del carro, a diferentes configuraciones por lo que podremos calibrar dependiendo el terreno la polea para obtener los mejores resultados en las competencias. En cuanto a la metodología, no se cuenta con la instrumentación en la institución por lo que se deberá tomar la tarea de conseguir el patrocinio necesario para realizar las pruebas, como patrocinadores potenciales se tiene contemplado a Tremec, por lo que se puede negociar que se realicen las pruebas en sus instalaciones, debido a que la infraestructura sobrepasa los ingresos del equipo. 1|Pág ina

PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN General  ¿Qué es un banco de pruebas para configuración de CVT? Específico  ¿Qué es CVT? 

¿Qué es BAJA SAE ITQ?



¿Qué es un banco de pruebas?



¿A qué nos referimos con BAJA SAE?



¿Cuál es el funcionamiento de CVT?



¿En qué tipos de vehículos se aplica?



¿Cuáles son las clasificaciones de CVT existentes?

Un automóvil con motor de combustión interna que tiene que funcionar en un rango de velocidades muy amplias, desde baja velocidad hasta muy alta, necesita imprescindiblemente una caja de cambios que permita adaptar el giro que está produciendo el motor con el giro que estamos demandando en las ruedas. La transmisión de variación continua no contiene engranes. Contiene un sistema de correas o discos para pasar torque y velocidad a las ruedas de acuerdo a la necesidad del momento, controlado por una computadora y sensores electrónicos. En una transmisión continuamente variable no hay diferentes ruedas dentadas ni se cambia de una rueda dentada a otra. Su propio nombre lo indica: la transmisión es continua, y por tanto no se interrumpe nunca, y es a la vez variable. La variabilidad se consigue haciendo que el diámetro efectivo de las poleas cambie en tiempo real. En 1994, en el Instituto Tecnológico de Querétaro, se funda BAJA SAE ITQ cuando un grupo de estudiantes de Ingeniería Mecánica decide iniciar un proyecto que interactúa con las carreras de Ingeniería Mecánica, Industrial, Mecatrónica, 2|Pág ina

electrónica, etc. Con el fin de crear un vehículo prototipo todo terreno que es sometido a pruebas arduas dentro de una serie de competencias organizadas por la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE por sus siglas en inglés). Actualmente los equipos han evolucionado en su ingeniería por lo que han recurrido a nuevas tecnologías, como lo es la CVT, debido a su complejidad es importante realizar un estudio detallado para su correcta implementación. A continuación, se detallan cada uno de los pasos que se llevarán a cabo en la ejecución del proyecto, así como el banco de pruebas para elegir la mejor transmisión. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El proyecto académico BAJA SAE ITQ es un equipo del Instituto Tecnológico de Querétaro conformado por alumnos de las distintas ingenierías que oferta la Institución, cuenta con estudiantes regulares de Ingeniería Mecánica, Industrial, Mecatrónica, Electrónica, entre otras. Son jóvenes apasionados y emprendedores que se dedican al diseño y manufactura de un auto todo terreno bajo las normas de SAE, que es la Sociedad de Ingenieros Automotrices, por sus siglas en inglés. Se buscará realizar un banco de pruebas para la configuración de la transmisión CVT en el taller del proyecto académico BAJA SAE que pertenece al Tecnológico Nacional de México – Instituto Tecnológico de Querétaro. El equipo de BAJA SAE infiere que existe una correlación entre la configuración de la transmisión CVT y la aceleración y el torque del carro. Empíricamente observan que entre más tensa se encuentra la banda de la transmisión, cuentan con mayor torque que es muy útil para subir pendientes pronunciadas, dar vueltas cerradas y pasar por caminos difíciles como caminos rocosos, lodo y troncos, lo cual es de vital importancia del equipo porque así son las pruebas que tienen que superar en las carreras en las que compiten. Por otro lado, entre más floja se encuentre la banda, obtienen más velocidad, lo cual es igualmente importante para los tramos rectos donde hay mayor oportunidad de rebasar a los demás competidores. 3|Pág ina

Esta investigación servirá para conocer el funcionamiento y las bases científicas de este tipo de transmisión para poder aplicarla de mejor manera en el carro del proyecto BAJA SAE ITQ. Será efectuado en el periodo enero-junio 2019 ya que en este periodo se realizará el diseño y manufactura del nuevo carro prototipo que se utilizará para las competencias internacionales de Tennessee 2019 y México 2019.

OBJETIVOS General  Realizar un banco de pruebas para configuración CVT Específico  Conocer el funcionamiento de CVT 

Conocer el trabajo de Baja SAE ITQ y sus objetivos



Entender el funcionamiento de un Banco de pruebas



Investigar en qué tipo de vehículos se aplica la CVT



Clasificar y seleccionar los tipos de CVT

MARCO TEÓRICO Durante varios años se ha cuestionado constantemente si se debe elegir una transmisión automática o manual al momento de adquirir un auto. Pero antes de elegir debemos entender cómo han evolucionado los sistemas de engranaje automático en los autos y de qué manera hoy en día se enfocan a una experiencia de manejo mejor y más rápida. Desde 1490 con Leonardo Da Vinci dio a conocer el principio de transmisión y siendo Fred Lanchester quien hizo contribuciones de cambio convencional en 1889, que dio paso entre 1906 y 1920 al variador por fricción dando paso a mayores investigaciones. (Jimenez, 2007) (Tixce, 2016) General Motors introdujo la primera transmisión semiautomática en 1937, con un sistema planetario o de satélites, denominada AST por sus siglas en inglés 4|Pág ina

(Automatic Safety Transmission). Esta caja de velocidades contaba con 4 posiciones frontales y un clutch que funcionaba con base en la fricción. Desde el comienzo, esta transmisión fue etiquetada como un fracaso. Además de ser un sistema muy poco confiable, se ofrecía como una opción adicional que costaba $80 dólares, pero tenía un costo para la armadora de $140 dólares. Tampoco fue muy popular con los clientes, por lo que se descontinuó tan sólo dos años después. En 1940, la transmisión AST evolucionó a la transmisión Hydra-Matic, la primera transmisión totalmente automática, que no requería un clutch y contaba con un funcionamiento hidráulico. En los años 50, el señor Huub Van Doome diseño una pequeña caja de transmisiones para un Daf 600 en 1958 y de ahí nació la idea de las cajas de transmisiones compuestas por poleas. Las relaciones de diámetros que pueden adoptar las roldanas se corresponden con una relación de transmisión diferente: se dice que los variadores son infinitos entre los más modernos están los secuenciales. Los usos fueron por invención de Nissan en los años 50 y se implementa actualmente en el campo automotriz de Nissan, Honda, General Motors, etc. Así como la más característica la caja multitronic de Audi ya que los reglamentos son más pesados y difíciles se implementará más este sistema de variador continuo. También se está empezando a utilizar en los automóviles desde los años 60, aunque no ha tenido mucho éxito hasta ahora. En teoría, las cajas de cambio de variación continua son la transmisión ideal, ya que varían la relación de velocidades continuamente, por lo que podemos decir que es una transmisión automática con un número infinito de relaciones. Durante los años 50 aparecieron las primeras transmisiones automáticas con convertidores de torque. Fueron desarrolladas por Borg Warner con la intención de utilizarlas en automóviles de las marcas Ford y Studebaker. Mientras tanto otras marcas continuaban comprando a General Motors las cajas Hydro Matic. Incluso 5|Pág ina

marcas como Lincoln, a pesar de ser una división de Ford, continuaban utilizando la tecnología anterior. Desde hace muchos años, las transmisiones CVT comenzaron a surgir en la década de los años 50, con la marca DAF, quienes para su modelo DAF 600 equiparon un sistema de poleas, como el que hoy se utiliza, y una banda, que cambiaría la relación de manera suave, prácticamente sin ser percibidas. Desafortunadamente, el diseño falló, pero la idea se mantuvo, y con el paso del tiempo llegaría para quedarse, incluso, causando controversia en el máximo circuito de carreras. El equipo Williams decidió desarrollar un auto de Fórmula 1 con una transmisión CVT que antes de la primera carrera quedaría completamente prohibida del circuito, pero ¿por qué quedarían prohibidas? La explicación es muy simple, al contrario que una transmisión automática normal, o en su caso, una transmisión manual, una transmisión continuamente variable mantiene constantemente el máximo de potencia y torque que brinda un motor de auto, evitando que las pérdidas de potencia del auto, afecten su rendimiento, esa tarea corresponde al piloto, por lo que, a juicio de los administradores, quitaría trabajo a los pilotos y al final disminuiría el nivel de entretenimiento Para la década de los años sesenta, la mayoría de las transmisiones en los autos eran de torque de tres velocidades, dejando atrás a las de presión. Este tipo de transmisión deriva de la transmisión de fricción de las primeras décadas del siglo 20. El desarrollo reciente se originó en un emprendimiento de NSK en la década de 1980. Posteriormente se agregó Nissan, que junto a NSK y una importante compañía de lubricantes japonesa lograron resultados satisfactorios. Se la denomina también transmisión toroidal. En los años setenta, apareció un nuevo jugador: las transmisiones con Overdrive o Sobre Marcha, que contaban con 4 velocidades frontales o en algunos casos hasta cinco. Estas transmisiones ofrecían un mejor desempeño, así como una

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reducción de consumo de combustible, comparado con las transmisiones automáticas de 3 velocidades. Para 1985, cerca del 90% de los autos nuevos contaban con este tipo de transmisiones. Cabe mencionar que fueron dominadoras hasta alrededor de 2005, año en el cual conocimos las transmisiones con cambios selectivos y hasta las que contaban con un clutch electrónico. [ CITATION Ivá07 \l 2058 ]

En el año de 1889, un hombre muy famoso por sus contribuciones a la industria automotriz y al campo de la aeronáutica, Fred Lanchester, inicio una investigación sobre un tema muy interesante, "engranajes epicíclicos" y luego, una vez dominado el tema pudo ponerlo en práctica en un automóvil. Hay que reconocer que Fred utilizó este sistema porque encontró muchas ventajas con respecto al tipo de cambios convencional; Lanchester concluyó que la transmisión del par motor podía continuar su movimiento durante el cambio de piñón ya que los dientes quedaban distribuidos sobre varios piñones y no solamente sobre un par.

Al cabo de cierto tiempo la idea de Fred Lanchester fue aceptada y probada por otros grandes de la industria automotriz, como el propio Henry Ford. La automotriz americana utilizó la idea de la caja de Fred en su famoso modelo T, el cual tenía dos cambios o dos velocidades y la marcha atrás o el retroceso. El resultado de tal inversión fue todo un éxito, ya que más de 15 millones de unidades fueron vendidas con este mecanismo. Sin embargo, hubo otro hombre a quien realmente le intereso el tema, lo estudio más a fondo y finalmente lo adecuó a los vehículos, este hombre fue Walter G. Wilson. [ CITATION Mar16 \l 2058 ]

Entre 1906 y 1920 apareció un variador por fricción (hoy nombrado CVT) que estaba compuesto por un disco plano que trasmite la fuerza del motor y una rueda 7|Pág ina

sujeta a un eje por donde sale la fuerza hacia las ruedas. y. Desplazando la rueda sobre su eje para variar el ángulo de contacto con el disco, era posible variar gradualmente la relación de la transmisión, tanto hacia delante como hacia atrás. [ CITATION Ivá07 \l 2058 ]

La problemática encontrada en una caja de cambios convencional es el movimiento del motor que posteriormente se lo transmite a las ruedas existiendo una transformación de la velocidad de giro y de par pues cubre un rango amplio de velocidades existiendo caja de cambios manuales y automáticas, en donde es más empleada la caja de cambios de doble embrague (EDC). Mientras que la CVT es más eficiente en cuanto a relación de marcha y teniendo un sistema de poleas una conductora y otra conducida. [2] Uno de los cambios más significativos desde los años 80, es el número de marchas frontales con las que cuentan las transmisiones automáticas modernas. Podemos encontrar hasta de 10 velocidades en autos y camionetas cargados de tecnología. Hoy en día, las transmisiones son controladas mediante la información que recibe una computadora, la cual es enviada por una serie de sensores. Esto genera que la computadora corte el clutch (las que cuentan con él) o que genere la presión suficiente para que los engranajes cambien. Estas transmisiones dependen directamente de un líquido de transmisión automática para su correcto funcionamiento. Con esto evitan que la fricción incremente la temperatura de la misma. Teniendo en cuenta una de las desventajas de la CVT, vienen de los materiales que tienden a limitar la capacidad del torque; propicia a tener un inconveniente el cual es el lubricante, ya que requiere una buena calidad de este (el aceite debería tener aditivos antiespumantes, detergentes, anti oxidantes, anti-oxidantes, surfactantes y mejoradores de viscosidad) para evitar el desgaste de los mismos componentes; así obteniendo como resultado una mejor fluidez de las cuales la caja de cambios se caracteriza. Al dar el mantenimiento debido, se utilizan herramientas 8|Pág ina

especiales, en las cuales se escanea, el lubricante, en donde los fabricantes advierten no cambiar dicho fluido, ya que colocar cualquier otro aceite a la transmisión, se corre el riesgo de dañar los elementos mecánicos que la co...