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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

Diseño Mecánico II UNIDAD 6: VOLANTES Presenta: Fernández Sánchez Francisco Javier

Docente: Ing. Felipe García Franco

Coatzacoalcos, Veracruz 15 de Diciembre del 2020

ÍNDICE

Índice .............................................................................................................. 2 Índice de imágenes ......................................................................................... 3 Introducción .................................................................................................... 4 6.1 Volantes .................................................................................................... 5 6.1.1 Volantes Motor Bi-Masa ...................................................................... 8 6.1.2 Partes ................................................................................................. 9 6.2 Diagrama de demanda de energía .......................................................... 14 6.3 Energía de transferencia del volante ....................................................... 17 6.4 Dimensionamiento ................................................................................... 21 6.5 Materiales para volantes ......................................................................... 23 Conclusión .................................................................................................... 25 Bibliografía .................................................................................................... 26

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ÍNDICE DE IMÁGENES Imagen 1. Volante de inercia ........................................................................... 5 Imagen 2. Volante bimasa ............................................................................... 8 Imagen 3. Volante y Cigüeñal ......................................................................... 8 Imagen 4. Masa primaria ................................................................................. 9 Imagen 5. Masa secundaria .......................................................................... 10 Imagen 6. Rodamiento .................................................................................. 11 Imagen 7. Brida ............................................................................................. 12 Imagen 8. Muelles de arco ............................................................................ 13 Imagen 9. Mecanismo de biela manivela....................................................... 14 Imagen 10. Diagrama de ejes coordinados ................................................... 15 Imagen 11. Representación esquemática de un volante ............................... 17 Imagen 12. Diagrama t y w............................................................................ 18 Imagen 13.Momento de inercia ..................................................................... 21 Imagen 14. Fundiciones grises ...................................................................... 23 Imagen 15. Materiales de volantes ................................................................ 24

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INTRODUCCIÓN Para comenzar esta investigación se puede definir el volante (también llamado volante o palanca de mando) como un tipo de control de dirección en un vehículo. Los volantes se utilizan en todo tipo de vehículos, desde automóviles hasta camiones ligeros y pesados. El volante forma parte del sistema de dirección, que es manipulado por el conductor para generar acciones y responder al resto del sistema. Esto se puede lograr a través del contacto mecánico directo (como cremalleras y piñones), independientemente de si se utilizan dirección asistida, EPS o, en algunos automóviles de producción modernos, se utilizan motores controlados por computadora (llamados dirección asistida). eléctrico. Con la introducción de las Regulaciones Federales de Vehículos de los Estados Unidos (FMVSS 114) en 1968, se requirió que el volante girara y bloqueara para evitar el robo de vehículos motorizados. En la mayoría de los vehículos, esto se logra quitando la llave de encendido (enclavamiento de encendido) del sistema de encendido.

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6.1 VOLANTES El volante de inercia es, básicamente, un sistema de almacenamiento de energía mecánica. Su principal característica frente a otros sistemas es la capacidad de absorber y ceder energía en poco tiempo. Es adecuado para sistemas mecánicos de ciclo energético discontinuo donde el periodo de tiempo sea muy corto, por lo que, tradicionalmente, se ha utilizado en motores y compresores alternativos, prensas y troqueladoras, etc. En volantes tradicionales la cantidad de energía es menor que en otros sistemas de almacenamiento, pero en las últimas décadas se fabrican de materiales compuestos, lo que ha supuesto un aumento notable de su capacidad de almacenamiento. Esta innovación permite aplicarlos a campos en los que antes era totalmente impensable, por ejemplo, para almacenamiento de energía en automóviles, trenes o autobuses, satélites, etc. Con este nuevo tipo de volantes se superan, en algunos aspectos, los sistemas clásicos de almacenamiento de energía. Por ejemplo, si se comparan con las tradicionales baterías químicas, los volantes ofrecen mayor potencia energética, tanto entregada como absorbida.1

Imagen 1. Volante de inercia

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Los volantes son máquinas o dispositivos que se utilizan para mantener una determinada relación entre el movimiento de rotación del eje de una máquina con la potencia que la misma entrega, si bien con funciones distintas y diferenciadas entre sí. Los volantes tienen por finalidad, en virtud de su masa e inercia, uniformar dentro de ciertos límites, las velocidades en los ejes de las máquinas motrices expuestas a variaciones debido al trabajo motor variable que le es entregado y al momento resistente de la carga. En mecánica, un volante de inercia o volante motor es un elemento totalmente pasivo, que únicamente aporta al sistema una inercia adicional de modo que le permite almacenar energía cinética. Este volante continúa su movimiento por inercia cuando cesa el par motor que lo propulsa.2 En la actualidad numerosas líneas de investigación están abiertas a la búsqueda de nuevas aplicaciones de los volantes. Algunos ejemplos de dichos usos son: ✓ Absorber la energía de frenado de un vehículo, de modo que se reutilice posteriormente en su aceleración. (KERS) ✓ Como dispositivos para

suavizar el funcionamiento

de

instalaciones

generadoras de energía eléctrica mediante energía eólica y energía fotovoltaica, así como de diversas aplicaciones eléctricas industriales. ✓ En los ferrocarriles eléctricos que usan desde hace mucho tiempo un sistema de freno regenerativo que alimenta la energía extraída del frenado nuevamente a las líneas de potencia; con los nuevos materiales y diseños se logran mayores rendimientos en tales fines.

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✓ En algunos de los automóviles híbridos, un volante de inercia permite convertir la energía del frenado en energía eléctrica, dándole mayor autonomía al vehículo.

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6.1.1 Volantes Motor Bi-Masa Este tipo de volante sustituye a los antiguos volantes motor. Tal y como su nombre indica, está constituido por dos masas o elementos (primario y secundario) unidos entre sí mediante una unidad amortiguadora de muelles, de forma que ambos pueden girar. La inercia de la masa del conjunto permanece inalterable, pero se consigue una amortiguación que supera ampliamente al amortiguador de torsión convencional del disco de embrague. Mediante su utilización y como consecuencia de la reducción de las frecuencias de resonancia, las vibraciones de la cadena cinemática se reducen ostensiblemente y permite un ajuste más bajo del régimen ralentí.

Imagen 2. Volante bimasa

La inercia se da obviamente también en el motor, el pistón ejerce fuerza de empuje al cigüeñal solamente durante el ciclo de expansión por lo que para que el cigüeñal continúe girando en los demás ciclos cuando no hay empuje es necesario la existencia del volante, que sencillamente es una rueda pesada colocada a un extremo del cigüeñal que acumula inercia regulando el movimiento del cigüeñal.3

Imagen 3. Volante y Cigüeñal

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6.1.2 Partes 1. Masa primaria La masa primaria está unida al cigüeñal del motor. Su inercia se combina con la del cigüeñal para formar una misma unidad. En comparación con un volante de inercia convencional, la masa primaria del volante bimasa es mucho más ligera, lo cual ayuda a aliviar la carga para el cigüeñal. Además, la masa primaria, junto con la tapa primaria, forma el canal de los muelles de arco, que por lo general se divide en dos secciones, separadas por los topes de los muelles de arco.4

Imagen 4. Masa primaria

Para arrancar el motor, la corona de arranque se coloca en la masa primaria. Dependiendo del tipo de volante bimasa, se monta a presión o bien por soldadura.

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2. Masa secundaria El volante bimasa se conecta a la cadena cinemática en el lado de la caja de cambios mediante la masa secundaria. En colaboración con el embrague, la masa secundaria transmite el par modulado procedente del volante bimasa. La carcasa del embrague está atornillada en el borde exterior. Tras realizarse el proceso de embrague, todo el mecanismo de diafragma presiona el disco de embrague contra la superficie de fricción de la masa secundaria. El par se transfiere mediante fricción. La masa secundaria consta principalmente de la masa secundaria y la brida. El par se transfiere a través de las aletas de la brida, situada entre los muelles de arco.5

Imagen 5. Masa secundaria

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3. Rodamiento El asiento del rodamiento encuentra en la masa primaria. Las masas primaria y secundaria están conectadas mediante un rodamiento pivotante, que soporta las fuerzas de peso aplicadas por la masa secundaria y el plato de presión del embrague. Al mismo tiempo, sirve de apoyo a la fuerza de desembrague aplicadas sobre el volante bimasa al desembragar. El rodamiento pivotante no sólo permite que ambas masas roten entre sí, sino que también permite un ligero movimiento de basculación (basculación).

Imagen 6. Rodamiento

En cuanto a los tipos de rodamientos, en un volante bimasa pueden utilizarse dos tipos diferentes. Desde el principio se han utilizado rodamientos de bola y las mejoras continuas han contribuido a garantizas una excelente durabilidad. Otras mejoras técnicas también han permitido introducir el rodamiento de bolas pequeño y a continuación el casquillo de fricción, que en la actualidad representan el estándar habitual para diseños de volantes bimasa.6

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4. Brida La brida sirve para transmitir par desde la masa primaria a la secundaria por medio de los muelles de arco, es decir, desde el motor al embrague. La brida está firmemente remachada a la masa secundaria y sus aletas (ver flechas) se encuentran entre el canal del muelle de arco de la masa primaria. El espacio entre los topes de los muelles de arco en el canal de muelle de arco es lo suficientemente grande para permitir que la brida rote.7

Imagen 7. Brida

Hay varios diseños de brida: rígida, con amortiguador interior y con embrague de fricción. ✓ Brida rígida: En esta versión, la brida está remachada a la masa secundaria. Para un mejor aislamiento de las vibraciones, las aletas de la brida están diseñadas con simetrías diferentes. ✓ Brida con amortiguador interior: La función principal del volante bimasa consiste en aislar la transmisión de las vibraciones generadas por el motor. Gracias a las excelentes características de amortiguación de las vibraciones que proporciona el volante bimasa con amortiguación interior se garantizan incluso en los momentos de par máximo. ✓ Brida con embrague de fricción: A diferencia de la brida rígida, este tercer tipo no está remachado a la masa secundaria.

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5. Disco de control de fricción Este componente solo se encuentra en algunos modelos de volante bimasa. Este disco posee un ángulo libre que significa que la fricción adicional solo se produce con ángulos de torsión grandes. Esto proporciona amortiguación complementaria durante el funcionamiento, por ejemplo, en el arranque o al cambiar la carga. 6. Muelles de arco El muelle de arco está instalado en el canal del muelle del volante bimasa y se apoya sobre una guía. En funcionamiento, las espiras del muelle de arco se deslizan a lo largo de la guía creando así fricción y por lo tanto amortiguación. Para evitar el desgaste de los muelles de arco se lubrican sus puntos de contacto en el deslizamiento. Además de mejorar la amortiguación de las vibraciones, los muelles de arco también contribuyen a reducir el desgaste. Gracias a la diversidad de diseños de muelle de arco es posible fabricar un sistema volante bimasa para adaptarse con precisión a las características de carga individuales de cada tipo de vehículo. Los tipos más frecuentes son: muelles de una fase, de dos fases (ya sea con una disposición en paralelo o con una disposición en serie) y muelles de arco de tres fases.8

Imagen 8. Muelles de arco

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6.2 DIAGRAMA DE DEMANDA DE ENERGÍA Si se considera una máquina a vapor o de combustión interna monocilíndrica, provista de un mecanismo de biela manivela, cuyo esquema se indica en la figura9

Imagen 9. Mecanismo de biela manivela

la fuerza tangencial T que le imprimía el movimiento de rotación a la manivela, estaba dada por la expresión: Como T depende de los ángulos

, y estos se modifican

continuamente, T modifica su intensidad a medida que el botón A de la manivela realiza una vuelta completa. Por tal motivo, su momento de rotación, dado por la expresión:

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También oscilará, pudiendo representarse estas oscilaciones en un diagrama de ejes coordenados como se muestra en la imagen, con los esfuerzos tangenciales en el eje de ordenadas y en el eje de abscisas del desarrollo de la circunferencia descripta por el botón A de la manivela.10

Imagen 10. Diagrama de ejes coordinados

La superficie comprendida entre la curva de los esfuerzos tangenciales OABCDEO, y la línea de abscisas e, corresponde al trabajo transmitido o motor Wm realizado por la manivela en una revolución alrededor del eje O. Este trabajo es posible conocerlo a través del diagrama que realiza un aparato llamado indicador, el cual se confecciona con los esfuerzos sobre el émbolo y el recorrido del mismo, motivo por el cual también se lo denomina trabajo indicado, pudiendo escribirse:

Si se supone que el trabajo resistente Wr, el cual se opone al trabajo Wm desarrollado por el motor, es producido por un esfuerzo resistente medio Tr, se lo podrá representar como una superficie rectangular OEFGO de base 2

r sobre el eje de

abscisas e, y altura Tr sobre el eje de ordenadas, por lo que se puede escribir:

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Estos trabajos deben ser iguales, ya que el trabajo que debe entregar el motor debe ser el necesario para vencer el resistente:

Por lo tanto, ambas superficies también deberán ser iguales, por lo que se puede escribir:

Es decir que se puede obtener el valor de Tr igualando el segundo miembro con el primer miembro de y haciendo pasajes de términos, resultando:

Obtenido el valor de Tr se lo traza sobre los mismos ejes coordenados del diagrama del trabajo indicado, con lo que se tiene el área del trabajo resistente en la misma escala. Analizando las distintas zonas de los diagramas, en el recorrido e =2

r del botón de la manivela, que dan los trabajos Wm y Wr se observa en la

figura (Figura 7.4), que es: 1- Para la zona GO11’ es Wr > Wm ; 2- Para la zona 1’122’ es Wm > Wr; 3- Para la zona 2’2B3’3 es Wr > Wm; 4- Para la zona 3’3C44’ es Wm > Wr; 5- Para 4’4DEF es Wr > Wm. Es decir que la máquina acelera en 2 y 4 y desacelera en 1, 3 y 5. Durante el recorrido en el cual es Wm > Wr, el excedente de energía lo almacena el volante que se encuentra enclavado en el eje, y lo entrega cuando es Wr > Wm. El almacenamiento de la energía que entrega el motor lo realiza, según se mencionara, debido a la inercia que posee la gran masa rotante del volante, y que fijamente unido al eje de la manivela de la máquina, como se observa en la (Figura.7.5) en la cual se muestra esquemáticamente un motor monocilíndrico con su volante, gira a la misma velocidad n que éste.11 11

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6.3 ENERGÍA DE TRANSFERENCIA DEL VOLANTE Se tiene se tiene la representación matemática de un volante. El volante, cuyo movimiento se mide mediante la coordenada angular θ, posee un momento de inercia I. Un momento de torsión de entrada Ti, correspondiente a una coordenada θi, hará que aumente la velocidad del volante.

Imagen 11. Representación esquemática de un volante

Y un momento de torsión de carga o salida T0, con la coordenada correspondiente θ0, absorberá energía del volante y hará que pierda velocidad. Si Ti se considera positivo y T0 negativo, la ecuación del movimiento del volante es:

O bien, En general, Ti y T0 pueden depender tanto del valor de los desplazamientos angulares θi y θ0, como de las velocidades angulares ωi y ω0. Sin embargo, normalmente la característica del momento de torsión depende sólo de uno de estos parámetros. Así, por ejemplo, el par motor introducido por un motor de inducción depende de la velocidad del mismo. De hecho, los fabricantes de motores eléctricos publican, para sus diferentes modelos de motor, gráficas en las que se detallan las características del momento de torsión (o par motor) y de la velocidad.12 12

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Cuando se conocen las funciones de variación de los momentos de torsión de entrada y salida, se puede resolver la ecuación.13

para el movimiento del volante aplicando las técnicas de resolución de ecuaciones diferenciales lineales y no lineales. Se supondrá que el eje es rígido a torsión, o lo que es lo mismo: θi = θ = θ0 en todo momento. Por lo tanto, la ecuación toma la forma:

En consecuencia, cuando se conocen las dos funciones del momento de torsión y se dan los valores iniciales del desplazamiento θ=y la velocidad ω, la ecuación

se puede resolver siendo ω y α funciones del tiempo. No obstante,

en la realidad el interés no se centra en conocer los valores instantáneos de las variables cinemáticas, sino en analizar el comportamiento global del volante:

Imagen 12. Diagrama t y w

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✓ Una fuente de potencia de entra somete a un volante a un momento de torsión constante Ti mientras el eje gira de θ1 a θ2. ✓ Se trata de un momento de torsión positivo y se representa gráficamente en sentido ascendente . ✓ La ecuación indica que el resultado será una aceleración positiva α y, por tanto, la velocidad del eje aumenta de ω1 a ω2. ✓ Seguidamente, el eje gira de θ 2 a θ3 con un momento de torsión cero por lo tanto, según la ecuación anterior, con una aceleración α nula. Por consiguiente, ω3 = ω2. ✓ De θ3 hasta θ4, se aplica una carga o momento de torsión de salida, de magnitud constante haciendo que el eje pierda velocidad, de ω3 a ω4. En este caso, el momento de torsión de salida se representa gráficamente en la dirección

negativa

en

concordanci...