V. DINAMMETROSPoco despus de que los motores a vapor se popularizaran, los ingenieros empezaron a experimentar con mquinas que pudieran medir la potencia real del motor. Estas mquinas fueron conocidas como dinammetros. En este punto, cabe aclarar que los dinammetros son ms ampliamente conocidos como instrumentos para la medicin de fuerzas y su funcionamiento se basa en un resorte, cuyas deformaciones son proporcionales a la fuerza aplicada, pero estos no son el caso de estudio de este proyecto.Uno de los primeros dinammetros fue desarrollado por Gaspar de Prony, quien invent el freno Prony en 1821, cuyo funcionamiento ser explicado ms adelante.En su artculo Steve Blancard explica cmo Froude Hofmann, compaa del Reino Unido, fabricaba dinammetros para motores y vehculos. Se le da el crdito a William Froude por la invencin del dinammetro hidrulico en 1877 y se dice que el primer dinammetro comercial fue producido en 1881 por su compaa predecesora Penan & Froude. En 1928, la compaa alemana Carl Schenck Eisengieerei & Waagenfabrik construy el primer dinammetro de vehculos para pruebas de frenado con el diseo bsico de los actuales puestos de pruebas para vehculos. Es importante entender que los caballos de fuerza no son realmente medidos directamente en un motor funcionando, en cambio lo que se mide es el torque por un dinammetro.En resumen, un dinammetro es una mquina usada para medir torque y velocidad angular, con los que se puede calcular la potencia producida por un motor de combustin, motor elctrico o cualquier mquina con principio rotacional.En Power dynamometers, se encuentra que un dinammetro, puede ser usado tambin para determinar el torque y la potencia requeridos para operar una mquina impulsada, como por ejemplo una bomba o un compresor. En este caso, se utiliza un dinammetro motorizado. Por el contrario, un dinammetro que este diseado para ser impulsado se denomina dinammetro de absorcin o pasivo. Un dinammetro que puede ser tanto motorizado como absorbente es llamado dinammetro universal o activo.De acuerdo a Wikipedia, el principio de operacin de un dinammetro es el siguiente:Un dinammetro de absorcin, es decir, que mide la potencia de salida de alguna fuente giratoria, acta como una carga que es soportada por el generador de movimiento que est sometido a prueba. El dinammetro, debe absorber la potencia desarrollada por el generador del movimiento o fuente. La potencia absorbida por el dinammetro generalmente debe ser disipada al aire ambiente o transferida a agua fra. Dinammetros regenerativos transfieren la potencia a lneas elctricas de poder.Los dinammetros pueden estar equipados con una variedad de sistemas de control. Si el dinammetro tiene un regulador de torque, este opera a un torque definido mientras la fuente opera a cualquier velocidad que pueda alcanzar mientras desarrolla el torque que fue definido. Si el dinammetro tiene un regulador de velocidad, este desarrolla cualquier torque que sea necesario para forzar la fuente de movimiento a operar a la velocidad definida.Fsicamente, un dinammetro es una unidad de absorcin que generalmente incluye una forma de medir torque y velocidad angular. La unidad de medida consiste de algn tipo de rotor en una cubierta. El rotor est acoplado al motor o al equipo que se quiere probar y es libre de girar a cualquier velocidad que requiera la prueba. Necesita de algn medio para desarrollar un torque de frenado entre el rotor del dinammetro y la cubierta. Este medio para desarrollar un torque puede ser entre otros por friccin, hidrulico o electromagntico, de acuerdo al tipo de unidad de absorcin.Una forma de medir torque es utilizando un dinammetro estilo freno por friccin mecnica o freno Prony. ste, en su forma bsica, consiste de un sistema de acople a la mquina a prueba, un rotor, una cubierta y un brazo de torque como se puede apreciar en las figuras 1 y 2.

TORQUE Y SU MEDICIN.Se denomina torque o par motor, al trabajo necesario para mover a un cuerpo con respecto a un punto fijo.Una definicin alterna de Torque segn Trietley es: torque es una fuerza efectiva que tiende a acelerar la rotacin de un objeto con respecto a un eje. El torque iguala la fuerza tangencial aplicada multiplicada por la distancia perpendicular de esta fuerza al eje, el torque es casi siempre cuantificado mediante la medicin de la deformacin de un elemento elstico.Existendos formas principales de medir el torque, esttica o dinmicamente.Las medidas estticas de acuerdo con Beckwith, pueden realizarse comparando el torque a medir contra un torque o fuerza de valor conocido, generalmente un sensor de torque esttico solo es capaz de indicar si se est por arriba o abajo del nivel predeterminado. Esta forma de medicin resulta intil si se desea conocer el torque de mquinas que no realizan un trabajo de forma constante, como lo es el caso de los motores.La medicin dinmica del torque es a menudo asociada con la determinacin de la potencia mecnica, ya sea requerida para operar una maquina o la potencia producida por esta, en este contexto los dispositivos utilizados para medir el momento de torsin y potencia mecnica reciben comnmente el nombre de dinammetros.De acuerdo con Sirohi, existen tres tipos bsicos de dinammetros: de absorcin, impulsores y de transmisin.Los dinammetros de absorcin, son tiles para medir el momento de torsin desarrollado por fuentes de potencia como los motores, como su nombre lo indica estos dispositivos absorben energa mecnica para poder desarrollar la medicin. Estos dinammetros pueden ser mecnicos o electrnicos.

Los dinammetros impulsores, esta clase de dinammetros miden el torque y al mismo tiempo suministran energa para operar el equipo en estudio. Se utilizan para determinar las caractersticas de equipos como compresores y bombas. Este tipo de dinammetros usualmente son de funcionamiento elctrico. Los dinammetros de transmisin son dispositivos pasivos, esto es que no consumen ni aportan energa a la maquina en estudio. Y a veces reciben el nombre de sensores de torque.a) DINAMMETROS MECNICOSLos dinammetros mecnicos pertenecen a la categora de dinammetros de absorcin, como se ha mencionado anteriormente esta clase de dinammetros funciona mediante la absorcin del momento de torque producido por la maquina en estudio, convirtiendo la energa recibida en calor.Estos dispositivos generalmente estn compuesto por una carga variable y una forma de medir el torque producido por el motor.De acuerdo conBeckwith, existen dos tipos principales de frenos mecnicos: los frenos de Prony y los frenos de agua. EL FRENO DE PRONY Se trata de un mecanismo puramente mecnico que utiliza la friccin seca para convertir la energa mecnica absorbida en calor.Debido a su simplicidad de funcionamiento existen diferentes maneras de construir este dispositivo. Una de las formas ms comunes de construir este dispositivo consiste en una serie de bloques de madera que ejercen presin sobre el eje de transmisin de la maquina en estudio, estos bloques se encuentran fijos a una barra de madera que sirve como brazo de reaccin al final del cual se encuentra una bscula o celda de carga, esta forma de construccin puede ser apreciada en la figura 1.1.

Otra manera de construir un freno de Prony consiste en un dinammetro al cual se fija una cuerda lubricada de la cual cuelga una pesa, posteriormente la cuerda la cuerda es enredada varias veces alrededor del eje de la maquina en estudio, esta forma de construccin puede ser apreciada en la figura 1.1. Los frenos de Prony tienen como principal ventaja su reducido costo, sin embargo son difciles de ajustar y resulta complicado mantener una carga especfica.

Fig. 1.1 Esquema de un disco de Prony

FRENO DE AGUA Un freno de agua, comnmente conocido como un banco de pruebas o Dynomometer, es una mquina que se utiliza para medir la salida de potencia y el par de un motor. Mediante el uso de la fuerza del agua para actuar en contra de la potencia de rotacin de un motor, la potencia y el par se puede medir con precisin. Para ello, el agua es forzada en el freno cuando el motor est en marcha. El motor gira una hlice o un ventilador que gira en el agua, y el freno de agua est conectado a un brazo de torsin que le impide girar alrededor con el eje del cigeal del motor. Este brazo empuja el aceite en un cilindro como el brazo se mueve hacia arriba y mide la potencia de salida del motor.

Un salto de agua se puede utilizar para medir la potencia producida a partir de un motor solo o de un vehculo completo. El Dynomometer chasis permite un vehculo completo para ser operado en l y mide la energa generada en las ruedas motrices. Esto da una medida exacta de potencia sin la prdida parsita de una lnea de transmisin o tamao del neumtico.

El freno de agua puede medir la potencia de alrededor de 50 a ms de 1.000 caballos de fuerza. Algunos equipos de carreras drag profesionales han reclamado para construir dynomometers freno agua capaces de medir los motores de alta potencia de carreras a ms de 5.000 caballos de fuerza. La mayora de los dinammetros de freno de agua se utilizan para medir la potencia en los cientos, sin embargo.

Mediante el uso de un freno de agua para sintonizar un motor, el sintonizador tiene la capacidad de simular las condiciones en la pista tales como la carga y la aceleracin. El sintonizador puede entonces ajustar el tiempo de encendido y el suministro de combustible a lo largo de cualquier intervalo dado y meloda para una produccin ptima de energa. El sintonizador puede incluso ajustar y simular los cambios en la presin baromtrica, la altitud y la temperatura. Mientras que en el freno de agua, las temperaturas crticas del motor y salidas pueden ser medidos y seguidos.

El freno de agua es una mquina que permite a los fabricantes de automviles para crear plantas de energa que son los ms adecuados para una amplia gama de estilos de conduccin. Antes de haber entrado en las etapas de produccin, un motor puede pasar aos en un banco de pruebas de frenos agua perfeccionar leva muele y culata diseos antes de que se considere adecuada para un funcionamiento de produccin.

Si bien la creacin de mquinas ms eficientes a menudo el trabajo de los ingenieros, al ser capaz de medir la potencia de salida y el ciclo de un motor que queda de frenos de agua. A partir de las cortadoras de csped a la maquinaria agrcola y camiones semi a los coches de carreras, estos dinammetros ayudan a permitir que todos ellos para llevar a cabo al ms alto nivel posible.

Algunos equipos de carreras drag profesionales han reclamado para construir dynomometers freno agua capaces de medir los motores de alta potencia de carreras a ms de 5.000 caballos de fuerza.Este dispositivo utiliza la friccin de un fluido en vez de la friccin seca para disipar la energa absorbida. La construccin tpica de un freno de agua se muestra en la figura 1.2. La capacidad de absorber energa de estos dispositivos depende de dos factores la velocidad del motor y la capacidad volumtrica del freno de agua. La energa absorbida en estos dispositivos es aproximadamente Igual a una funcin del cubo de la velocidad de la maquina en estudio. Estos dispositivos pueden absorber mayores cantidades de energa que el freno de Prony, por que el calor generado es disipado por el agua circulante en el interior de la carcasa.

Fig. 1.2 Esquema de un freno de agua

Tanto en el caso del freno de Prony como en el freno de agua, el poder absorbido por estos dispositivos tiende a producir una rotacin del dispositivo.

Esta rotacin es limitada mediante un dispositivo de medicin de fuerza, generalmente una balanza o celda de carga, colocado al final de un brazo de reaccin.El torque ejercido sobre estos dispositivos es calculado por medio de laEcuacin 1.1:

Donde (L) representa la longitud del brazo de reaccin colocado en el freno, mientras que la fuerza (F) es el valor de fuerza registrado por el sensor de fuerza.Mientras que la potencia disipada por uno de estos dispositivos se calcula con ayuda de la Ecuacin 1.2:

Donde T es el torque ejercido sobre el freno y N es la velocidad angular de la maquina a estudiar en revoluciones por minuto. La figura 1.3 muestra una ilustracin del dinammetro MD-8D, que se compone por un freno de agua y una celda de presin con su indicador de fuerza.

Figura 1.3 Ilustracin del ensamble del freno de agua y celda de carga del dinammetro Go-Power

De acuerdo con el manual de dicho dinammetro, la medicin de torque se realiza mediante una celda de presin, que se trata fundamentalmente de un pistn hidrulico, accionado por una varilla que la conecta directamente al soporte del freno. Esto puede ser observado claramente en la figura 1.4 que muestra un corte transversal de la celda de carga del dinammetro MD-8D. De esta forma conforme el freno demanda ms torque al motor, la celda de carga presenta una mayor presin a su salida. Dicha celdase encuentra conectado a su vez a un indicador de presin calibrado especialmente para indicar el torque que el motor desarrolla en un momento determinado. Figura 1.4 corte de la celda de cargab) DINAMMETROS ELCTRICOSLos dinammetros elctricos pueden funcionar como dinammetros impulsores o como dinammetros de absorcin.Existen cuatro tipos principales de dinammetros elctricos: corrientes parasitas, dinammetros de CD, motores y generadores de CD, motores y generadores de AC. DINAMMETROS DE CORRIENTES PARASITAS Son dispositivos de absorcin, construidos a partir de uno o ms discos metlicos que se hacen girar en presencia de un campo magntico. Dicho campo magntico es producido por elementos magnticos o bobinas con una fuente de poder externa.El momento de torsin es medido, al igual que en el freno de Prony, por un elemento sensor de fuerza colocado en el extreme de un brazo de reaccin por lo que aplican para este las mismas formulas.El freno de corrientes parasitas tiene la facultad de permitir un fcil control sobre la carga que este ejerce, mediante el control de la corriente que alimenta a los elementos generadores del campo magntico. Sin embargo no puede ser operado a bajas revoluciones por minuto.

LOS DINAMMETROS DE CD Son segn Sirohi, los dinammetros ms verstiles y precisos pues pueden ser utilizados como dinammetros impulsores o de absorcin. Cuando un dinammetro de CD es utilizado como un dinammetro de absorcin, este se comporta como un generador, disipando la potencia generada en una seria de resistencias externas a la mquina.Cuando se utiliza como dinammetro impulsor el dispositivo se desempaa como un motor de CD requiriendo de una fuente de energa externa.La facilidad de control de carga y el buen rendimiento a bajas velocidad son caractersticas operativas de los dinammetros de CD. LOS MOTORES O GENERADORES DE CDPuedentambin funcionar respectivamente como dinammetros impulsores o de absorcin, por la facilidad que tienen para controlar la velocidad de impulsin o su carga de absorcin por medio del control de la corriente de campo. De igual manera es posible adaptar motores o generadores de AC pero su manejo resulta ms complicado que en sus similares de CD.Para poder calcular el torque absorbido por los dinammetros de CD o por un generador es necesario en primer lugar obtener la magnitud de la potencia absorbida por el sistema, para lograrlo se puede utilizar:

Ecuacin 1.3:

Mientras que si la maquina elctrica est trabajando como un dinammetro impulsor se debe utilizar:Ecuacin 1.4:

Donde (E) representa la diferencia de potencial existente entre las terminales del motor o generador segn sea el caso el,de igual manera (I) representa la corriente consumida o producida por la maquina elctrica. El termino (eficiencia) representa la eficiencia del motor o generador del dinammetro.Una vez calculada la potencia es posible calcular el torque (r) utilizando la siguiente ecuacin.Ecuacin 1.5:

DINAMMETROS DE PASOLos dinammetros de transmisin, son dispositivos pasivos colocados en el lugar en donde se desea realizar la medicin del torque. Esta clase dinammetros tambin reciben el nombre de sensores de torque.Existen, segn Beckwith, diferentes mtodos para implementar estos dispositivos incluyendo: los trenes de engranes,los dispositivos por cadenas o bandas y la utilizacin de elementos flexibles. Los trenes de engranesCuando se disea un dinammetro de transmisin en base a un arreglo de engranes, se realiza generalmente la medicin del torque reactivo, este torque es la diferencia entre el torque de entrada y el de salida, una vez conocido este valor es posible generar una funcin ya sea para el torque de entrada o el de salida. Los dispositivos a cadenas y bandas Basan su medicin en la diferencia de tensin en la cadena o banda del sistema.Sin embargo la complejidad y costo de estos sistemas as como las perdidas mecnicas producidas por su funcionamiento limitan su nmero de aplicaciones. Utilizacin de elementos flexibles. Los dinammetros de transmisin mas comnmente utilizados son aquellos que basan su funcionamiento en la medicin de la deformacin presente en elementos elsticos encargados de transmitir el momento de fuerza.Existe una amplia variedad de sensores capaces de medir la deformacin de los elementos flexibles de los cuales se compone el dinammetro de paso, sin embargo tradicionalmente los ms utilizados se trata de las galgas extenso mtricas, debido a la alta precisin de medicin que puede ser obtenida al utilizar las galgas. Sin embargo su utilizacin requiere el uso de anillos de friccin, debido a que la galga se encuentra en constante rotacin. Estos sistemas resultan caros y complicados de mantener por el desgaste constante que existe sobre los anillos de friccin.