proyecto ing automotriz 2010
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Universidad Nacional De Trujillo ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES DINA MICO -TRACCIONALES DE LA UNIDAD F IAT PUNTO EVO DYNAM IC 5 P BAJO LAS CONDICIONES DE EXPLOTACION EN LA CIUDAD DE TRUJILLO MARTINEZ MARTINEZ, Edwin R. RESUMEN El progresivo aumento del parque automotor en la ciudad de Trujillo, nos genera la necesidad de conocer las condiciones de explotacin de los automviles, especficamente automviles livianos, para ello nos encontramos ntegramente relacionados con un problema de anlisis en la evaluacin de las propiedades dinmico-traccionales del automvil en cuestin. En el proyecto nos dedicamos a determinar velocidades, aceleraciones y las condiciones lmites de la carretera bajo las cuales es posible la marcha del automvil con sus determinados parmetros de diseo. Este trabajo se realiza con la finalidad de conocer las condiciones de explotacin del automvil Fiat Punto Evo Dynamic 5p, asegurando as una vida mas prolongada de la mquina mejorando la economa y rendimiento. El trabajo es posible de realizar debido a que se cuenta con los conocimientos necesarios adquiridos en el curso de Ingeniera Automotriz y con el apoyo del software Matlab para realizar los clculos tericos requeridos. En el proyecto se obtiene para cada marcha el balance potencias, fuerzas traccionales, velocidades, aceleraciones, el pasaporte dinmico del automvil y el consumo en carretera, Etc. Tabulando y graficando estos resultados que se muestran en cada seccin. Finalmente se concluye que conociendo estos parmetros de diseo es posible encontrar las condiciones de explotacin del vehculo Fiat Punto Evo Dynamic 5p para cada marcha en la ciudad de Trujillo, adems se comprueba la capacidad del alumno para resolver estos problemas despus de haber terminado el curso.
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Universidad Nacional De Trujillo INDICE Seccin (pgina) Introduccin (3) Antecedentes histricos (3) Propsito general del proyecto (3) Descripcin de la realidad problemtica (3) Justificacin e importancia (3) Desarrollo de contenidos (4) Especificaciones Tcnicas (4) Clculo del radio de rodadura (6) Caractersticas externas de velocidad (7) Potencia de banco (7) Determinacin de la potencia efectiva del motor (7) Determinacin del torque efectivo del motor (8) Determinacin del consumo especfico efectivo (9) Velocidades del vehculo en las distintas marchas (10) El cronograma de cambio de velocidades (12) El cronograma de cambio de velocidades basado en las relaciones de transmisin y fuerza de traccin bruta (12) Anlisis de la reserva del torque y estabilidad de funcionamiento, elasticidad. (14) Balance traccional de la unidad vehicular (14) Balance de potencia traccional de la unidad vehicular (17) La pendiente mxima para cada marcha (19) La caracterstica dinmica del automvil (20) La caracterstica universal del vehculo o pasaporte dinmico de la unidad vehicular (21) Balance de potencia de traccin en carretera (23) La aceleracin del automvil (24) El consumo de combustible en carretera (27) Elaboracin de la tabla de consumo de combustible (28) Conclusiones y recomendaciones (31) Bibliografa (32) Anexos (33) Ingeniera Automotriz pgina 2
Universidad Nacional De Trujillo I. INTRODUCCION 1.1. Antecedentes histrico-tcnicos. La marca italiana FIAT tiene modelos con calidad que le otorgan una situacin preponderante en todos los mercados en la actualidad. Un ejemplo es su red comercial en los mercados europeos y el mundo, que en tres aos ha crecido ms de un 25%. En la gama Fiat podemos encontrar vehculos con una extraordinaria relacin calidad/economa, que adems, estn a la altura de los mejores de cada segmento. Motorizaciones gasolina o disel menos contaminantes y con menor consumo. Diseo de altura y gran mejora en la terminacin. Sus mecnicas de funcionamiento estn entre las ms avanzadas de la automocin estas han ido en constante mejora desde el siglo pasado hasta la actualidad del 2010, con la aplicacin de los modelos MultiAir, desarrollada por el grupo para conseguir ms potencia con menos cubicaje y menor contaminacin. 1.2. Propsito general del proyecto Realizar un anlisis de las propiedades dinmico traccionales de la unidad vehicular Fiat Punto Evo Dynamic 5p, utilizando los conocimientos adquiridos en el curso Ingeniera Automotriz, para as prepararnos en caso nos enfrentemos a un problema real de este tipo 1.3. Descripcin de la realidad problemtica La mayora de personas que adquiere un vehculo, tiene el problema de no conocer como es el funcionamiento y bajo que condiciones utilizarlo, es por eso que planteamos el problema de la siguiente manera: Es posible encontrar las propiedades dinmico-traccionales, parmetros y condiciones lmites de funcionamiento, conociendo los parmetros de diseo del vehculo? 1.4. Justificacin e importancia Primeramente de nada servira recibir la teora sin resolver un problema que involucre estos conocimientos, por ello se justifica de esta manera la realizacin del proyecto para reforzar nuestros conocimientos en ingeniera automotriz; adems se refleja la importancia porque se puede utilizar el proyecto como modelo para resolver un problema real que puede ocasionarse en este mundo tan amplio de la automocin referido a las propiedades dinmico-traccionales y condiciones de funcionamiento. Ingeniera Automotriz pgina 3
Universidad Nacional De Trujillo II. DESARROLLO DE CONTENIDOS 2.1. Especificaciones Tcnicas 2.1.1. Vehculo original
Fiat Punto Evo Dynamic 5p a. Motor Modelo Potencia neta mxima, CV- KW @ rpm. Par motor mximo, N.m @ rpm. Tipo de inyeccin de combustible Tipo de Refrigeracin Lubricacin Peso del motor Material del bloque/culata N de Cilindros Vlvulas Dimetro de cilindro, mm Carrera, mm Cilindrada, cm3 Distribucin Combustible Relacin de compresin Tanque de combustible Capacidad total, lt. Situacin del motor b. Chasis Traccin Transmisin Frenos delanteros (dimetro, mm) : disco ventilado (257mm) Frenos traseros (dimetro, mm) : Tambor (228mm) : 4x2 Delantera : 45 : Delantero transversal : Evo 5P 1.4 8v : 77-57 @ 6000 : 115 @ 3000 : Multipunto : refrigerante antioxidante (5 lt) : SAE 40 (3/4 Gl) : 180 Kg. : hierro fundido/aluminio : 4 cilindros en lnea. : 2 vlvulas por cilindro. : 72 : 84 : 1368 : rbol de levas en cabeza (OHC) : Gasolina : 11:1
Consumo nominal en carretera Lt/100km :9.4
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Universidad Nacional De Trujillo Caja de velocidades Transmisin Manual de 5 velocidades. Relacin de Transmisin de la Caja de Velocidades (C514) 1 Marcha 2 Marcha 3 Marcha 4 Marcha 5 Marcha Marcha atrs : 3.909: 1 : 2.158: 1 : 1.480: 1 : 1.121: 1 : 0.921: 1 : 3.818: 1
Relacin del puente motriz : 5.208: 1 Sistema cardnico Dimensiones Longitud total (mm) Ancho total (mm) Batalla (mm) Altura (mm) Ancho va delantero Ancho va trasero Posiciones del centro de gravedad Por conocimiento del curso de ingeniera automotriz para automviles livianos: : 4065 : 1687 : 2510 : 1490 : 1473 : 1466 : No posee cardn
hg=0.45 0.60 m sin carga Elijamos Entonces tenemos y hg=0.50m , y hg=500mm
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Universidad Nacional De Trujillo Luego aplicando el equilibrio podemos encontrar los pesos. Pesos Peso Bruto vehicular, Ga, Kgf Carga mxima eje delantero, G1, Kgf Carga mxima eje trasero, G2, Kgf Peso seco vehicular, G0, Kgf Carga en vaco eje delantero, G10, Kgf Carga en vaco eje trasero, G20, Kgf Carrocera Tipo Numero de puertas Numero de plazas Volumen de maletero/con asientos abatitos (lt.) Neumticos y Ruedas Neumticos Suspensiones Suspensin delantera : Independiente. Tipo McPherson. Resorte helicoidal. Barra estabilizadora. Suspensin trasera 2.1.2. Vehculo opcional Lancia Ypsilon 1.4 8v 77cv. Platino. 2.2. Clculo del radio de rodadura Segn Chudakov Empleamos la ecuacin emprica siguiente: : Semi-independiente. Brazo tirado. Viga transversal de torsin. Resorte helicoidal. : 175/65 R15 : Turismo :5 :5 : 275/1030 : 1645 : 871.85 : 773.15 : 1185 : 628.05 : 556.95
Donde: rr d B : : : Radio de rodadura, en m. Dimetro del aro, en pulg. Ancho del perfil del neumtico, en mm.
Usa el tipo 175/65 R15, obtenemos:
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Universidad Nacional De Trujillo 2.3. Caractersticas externas de velocidad a. La potencia de banco Utilizando el coeficiente que corrige la potencia al pasar el funcionamiento
del automvil del laboratorio a la realidad prctica; tenemos
Reemplazando datos
b. Determinacin de la potencia efectiva del motor:
La reserva de torque
Coeficientes para la ecuacin de Leyderman
De modo que
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Universidad Nacional De TrujilloNe vs n 60
55
50
potencia efectiva [KW]
45
40
35
30
25
20 2000
2500
3000
3500
4000 velocidad angular [RPM]
4500
5000
5500
6000
Figura 1: Curva potencia efectiva en funcin de las rpm del motor. c. Determinacin del torque efectivo del motor
Entonces
Me vs n 150
140
130
torque efectivo [Nm]
120
110
100
90
80 2000
2500
3000
3500
4000 velocidad angular [RPM]
4500
5000
5500
6000
Figura 2: Curva torque efectivo en funcin de las rpm del motor Ingeniera Automotriz pgina 8
Universidad Nacional De Trujillo d. Determinacin del consumo especfico efectivo Calculando el consumo especfico que corresponde a la potencia mxima:
: Densidad de la gasolina=0.68Kg/lt : Velocidad del automvil : Consumo de combustible de carretera : Consumo especfico de combustible : Potencia efectiva Con datos nominales
De modo que en funcin de las RPM para motores de encendido forzado.
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Universidad Nacional De Trujilloge vs n 185
180
175
consumo especifico [gr/KW.h]
170
165
160
155
150 2000
2500
3000
3500
4000 velocidad angular [RPM]
4500
5000
5500
6000
Figura 3: Curva consumo especfico en funcin de las rpm del motor e. Velocidades del vehculo en las distintas marchas La velocidad del vehculo depende del radio de rodadura , la relacin de velocidades de la caja puente motriz . , las rpm del motor
y la relacin de velocidad del
De modo que para cada constante, as:
de la caja de velocidades el factor
es
Para cada relacin de velocidad encontraremos un valor de
de modo que
para cada rpm del motor le corresponder un diferente valor de velocidad del vehculo, anotados en la tabla. Como
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Universidad Nacional De Trujillo 3.9090 2.1580 1.4800 1.1210 0.9210 0.0063 0.0114 0.0166 0.0219 0.0267 Tabla 1: Valores de la constante k para cada relacin de velocidad
n[rpm] RV 3.909/I 2.158/II 1.480/III 1.121/IV 0.921/V
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
12.60 22.80 33.20 43.80 53.40
15.75 28.50 41.50 54.75 66.75
18.90 34.20 49.80 65.70 80.10
22.05 39.90 58.10 76.65 93.45
25.20 45.60 66.40 87.60 106.80
28.35 61.30 74.70 98.55 120.15
31.50 57.00 83.00 109.50 133.50
34.65 62.70 91.30 120.45 146.85
37.80 68.40 99.60 131.40 160.20
Tabla 2: Velocidades del vehculo para cada relacin de velocidad de la caja y para diferente rpm del motor en Km/h. En la siguiente tabla se listan las potencias efectivas y los torques efectivos para cada rpm del motor n [rpm]2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000
Ne [KW] 24.01
30.28
36.29
41.87
46.83
51.00
54.21
56.26 57.00
Me[Nm] 113.92 114.92 115.00 113.50 111.09 107.54 102.86 97.05 90.14 Tabla 3: Potencia y torque efectivo para cada valor de rpm del motor Las velocidades mnimas y mximas del vehculo en las distintas marchasParmetros Cambios de marcha 1ra. Expresin de clculo 12.60@2000 37.80@6000 37.80@3316 68.40@6000 68.40@4121 99.60@6000 99.60@4548 131.40@6000 131.40@4921 160.20@6000 2da. 3ra. 4ta. 5ta.
Tabla 4: Velocidades mximas y mnimas para diferentes marchas
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Universidad Nacional De Trujillo f. El cronograma de cambio de velocidades60
50
1ra marcha 2da marcha 3ra marcha 4ta marcha 5ta marcha Ne Me
Ne[KW], Mex3[Nm], Vx5[km/h]
40
30
20
10
0 2000
2500
3000
3500
4000 RPM
4500
5000
5500
6000
Figura 4: Cronograma de cambio de velocidades basado en las rpm del motor g. Cronograma de cambio de velocidades basado en las relaciones de transmisin y fuerza de traccin bruta La velocidad en funcin de las relaciones de transmisin en la caja de velocidades. Adems la fuerza de traccin bruta disponible rgimen estabilizado est en funcin del torque en
, la relacin de transmisin de la caja de velocidades , el radio de rodadura y
, la relacin de transmisin del puente motriz el rendimiento de la transmisin .
En la pgina 24 de Chudakov nos da el rango para transmisin de tipo comn por engranajes de: aritmtica: de modo que asumimos la media
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Universidad Nacional De Trujillo De modo que para cada relacin de velocidad 3.9090 2.1580 1.4800 1.1210 0.9210
54.0002 29.8113 20.4452 15.4859 12.7230 Tabla5: Valores de constante para fuerza de traccin para cada relacin de transmisin n(rpm)2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000
3.9090 2.1580 /1.4800 1.1210 0.9210
6.152 6.198 6.206 6.129 5.999 5.807 5.555 5.241 4.866 3.396 3.422 3.426 3.384 3.312 3.206 3.066 2.893 2.686 2.329 2.346 2.349 2.321 2.271 2.199 2.103 1.984 1.842 1.764 1.777 1.780 1.758 1.720 1.665 1.593 1.503 1.395 1.449 1.460 1.462 1.444 1.413 1.368 1.309 1.235 1.146
Tabla 6: Valores de la fuerza traccional disponible para cada marcharojo: V a RPMmin, verde: V a RPM max 200velocidad del automovil [Km/h]
150
100
50
0 0.5
1
1.5
2 2.5 relacion de velocidades de la caja ucv
3
3.5
4
200 FUERZA DE TRACCION MAXIMA PARA CADA MARCHA [KN] EN QUINTA 150velocidad [Km/h]
EN CUARTA EN TERCERA
100 EN SEGUNDA 50 EN PRIMERA
0 0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4 6.5
Figura 5: Cronograma de cambio de velocidades basado en las relaciones de velocidad y la fuerza de traccin bruta pgina 13
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Universidad Nacional De Trujillo h. Anlisis de la reserva del torque y estabilidad de funcionamiento, elasticidad. En la tabla 4 y la figura 4 del cronograma de cambio de velocidades se puede observar que los regmenes de las velocidades mnimas para cada cambio de marcha no pasa a la izquierda del rgimen del torque mximo, entonces se puede decir que el motor es el adecuado porque cada velocidad mnima de cambio de marcha se encuentra dentro del porcentaje de gobernacin. La suavidad de marcha durante el cambio de marcha se evala mediante el coeficiente de adaptacin por frecuencia de giro grande tendr ms suavidad. La adaptacin del motor en regmenes de carga variable se mide con el coeficiente de adaptabilidad por torque , entonces si , mientras ms
tuviramos que elegir otro motor debera ser que se aproxime al del motor original. Cuando se sobrecargue el automvil debera hacerse segn la reserva de torque que posea el motor, para nuestro caso tenemos 2.4. Balance traccional de la unidad vehicular Tenemos .
La fuerza de resistencia a la aceleracin en [N] En rgimen estabilizado La fuerza total de resistencia al camino en [N]
: Peso bruto vehicular.
: Coeficiente de resistencia total del camino y de la pendiente expresada
Depende del coeficiente de resistencia a la rodadura en porcentaje ; pero en rgimen estabilizado .
Para ngulos de pendiente mayores que 10%, : Para ngulos de pendiente pequeos menores que 10%
La fuerza de resistencia del aire en [N] Ingeniera Automotriz pgina 14
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, rea frontal del vehculo Calculando
, coeficiente de resistencia del aire Para vehculos livianos
Elegimos
As , Por lo tanto la ecuacin (9) quedara finalmente
Por lo tanto , As:
Donde
Donde : Es la fuerza de traccin mnima para cada marcha : Es la velocidad mxima para cada marcha 3.9090 2.1580 1.4800 1.1210 0.9210 0.2891 0.1554 0.0908 0.0458 0.0106 Tabla 7: Valores de coeficientes de resistencias totales de la carretera a velocidad mxima
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Universidad Nacional De Trujillon [rpm] 2000 12.60 4.811 0.006 4.817 2500 15.75 4.811 0.009 4.820 3000 18.90 4.811 0.014 4.825 3500 22.05 4.811 0.018 4.829 4000 25.20 4.811 0.024 4.835 4500 28.35 4.811 0.031 4.842 5000 31.50 4.811 0.038 4.849 5500 34.65 4.811 0.046 4.857 6000 37.80 4.811 0.055 4.866
Tabla 8: Fuerza traccional requerida primera marchan [rpm] 2000 22.80 2.508 0.020 2.528 2500 28.50 2.508 0.031 2.539 3000 34.20 2.508 0.045 2.553 3500 39.90 2.508 0.061 2.569 4000 45.60 2.508 0.079 2.587 4500 61.30 2.508 0.100 2.608 5000 57.00 2.508 0.123 2.631 5500 62.70 2.508 0.149 2.657 6000 68.40 2.508 0.188 2.686
Tabla 9: Fuerza traccional requerida segunda marchan [rpm] 2000 33.20 1.465 0.042 1.507 2500 41.50 1.465 0.065 1.530 3000 49.80 1.465 0.094 1.559 3500 58.10 1.465 0.128 1.593 4000 66.40 1.465 0.167 1.632 4500 74.70 1.465 0.212 1.677 5000 83.00 1.465 0.262 1.727 5500 91.30 1.465 0.317 1.782 6000 99.60 1.465 0.377 1.842
Tabla 10: Fuerza traccional requerida tercera marchan [rpm] 2000 43.80 0.739 0.073 0.812 2500 54.75 0.739 0.114 0.853 3000 65.70 0.739 0.164 0.903 3500 76.65 0.739 0.223 0.962 4000 87.60 0.739 0.292 1.031 4500 98.55 0.739 0.369 1.108 5000 109.50 0.739 0.456 1.195 5500 120.45 0.739 0.552 1.291 6000 131.40 0.739 0.656 1.395
Tabla 11: Fuerza traccional requerida cuarta marchan [rpm] 2000 53.40 0.171 0.108 0.279 2500 66.75 0.171 0.169 0.340 3000 80.10 0.171 0.244 0.415 3500 93.45 0.171 0.332 0.503 4000 106.80 0.171 0.434 0.605 4500 120.15 0.171 0.549 0.720 5000 133.50 0.171 0.678 0.849 5500 146.85 0.171 0.820 0.991 6000 160.20 0.171 0.976 1.147
Tabla 12: Fuerza traccional requerida quinta marcha
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Universidad Nacional De TrujilloPt vs V 7000
6000 1ra
5000 0.2981fuerza de traccion bruta [N]
4000
2da 3000 0.1554 3ra 2000 4ta 0.0908 1000 0.0458 0.0106 0 0 20 40 60 80 100 velocidad del automovil [Km/h] 120 140 160 180 5ta
Figura 6: Fuerza traccional disponible y requerida para el automvil a diferentes marchas y pendientes 2.5. Balance de potencia traccional de la unidad vehicular
: Potencia gastada en vencer la resistencia total del camino, en KW : Potencia gastada en vencer la resistencia del aire, en KW. : Potencia gastada en vencer la resistencia a la aceleracin, en KW. En estado estable Adems
Donde : Potencia traccional requerida, en KW. Finalmente
: Velocidad del automvil en m/s.
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Universidad Nacional De Trujillon [rpm] 2000 12.60 16.84 0.02 16.86 2500 15.75 21.05 0.04 21.09 3000 18.90 25.26 0.07 25.33 3500 22.05 29.47 0.11 29.58 4000 25.20 33.68 0.17 33.85 4500 28.35 37.89 0.24 38.13 5000 31.50 42.10 0.33 42.43 5500 34.65 46.31 0.44 46.75 6000 37.80 50.52 0.57 51.09
Tabla 13: Potencia traccional requerida primera marcha
n [rpm]
2000 22.80 15.89 0.13 16.02
2500 28.50 19.86 0.24 20.10
3000 34.20 23.83 0.42 24.25
3500 39.90 27.80 0.67 28.47
4000 45.60 31.77 1.00 32.77
4500 61.30 35.74 1.42 37.17
5000 57.00 39.71 1.96 41.67
5500 62.70 43.69 2.60 76.29
6000 68.40 47.66 3.38 51.04
Tabla 14: Potencia traccional requerida segunda marcha
n [rpm]
2000 33.20 13.51 0.39 13.90
2500 41.50 16.89 0.76 17.65
3000 49.80 20.27 1.30 21.57
3500 58.10 23.64 2.07 25.71
4000 66.40 27.02 3.09 30.11
4500 74.70 30.40 4.40 34.80
5000 83.00 33.78 6.04 39.82
5500 91.30 37.16 8.04 45.19
6000 99.60 4.53 10.04 50.97
Tabla 15: Potencia traccional requerida tercera marcha
n [rpm]
2000 43.80 8.99 0.89 9.88
2500 54.75 11.24 1.73 12.97
3000 65.70 13.49 2.99 16.48
3500 76.65 15.73 4.76 20.49
4000 87.60 18.98 7.10 25.08
4500 98.55 20.23 10.11 30.34
5000 109.50 22.48 13.86 36.34
5500 120.45 24.72 18.45 43.18
6000 131.40 26.97 23.96 50.93
Tabla 16: Potencia traccional requerida cuarta marcha
n [rpm]
2000 53.40 2.53 1.61 4.14
2500 66.75
3000 80.10
3500 93.45
4000 106.80
4500 120.15
5000 133.50
5500 146.85
6000 160.20
3.173.14 6.31
3.805.43 9.23
4.438.62 13.05
5.0612.86 17.92
5.7018.32 24.02
6.3325.13 31.46
6.9633.44 40.40
7.6043.42 51.02
Tabla 17: Potencia traccional requerida quinta marcha Ingeniera Automotriz pgina 18
Universidad Nacional De Trujillo 2.6 La pendiente mxima para cada marcha
Cuando ya el vehculo no puede superar ms pendientes se encuentra en la fuerza de traccin mxima cuando J=0, y la suma de fuerzas de resistencia del camino y del viento iguala a la fuerza de traccin disponible para cada marcha, entonces:
Adems
As
Acomodando
Para carreteras de asfalto en estado aceptable tenemos el rango para
Optamos por elegir
Entonces la mxima pendiente a vencer para cada marcha esta dada por
Y para la pendiente mnima solamente cambiamos
,
Ingeniera Automotriz
pgina 19
Universidad Nacional De Trujillomarcha parmetro 0.3840 0.2891 Max min Max min 0.9309 0.9513 21.42 17.95 39.23 32.34 0.2104 0.1554 0.9732 0.9846 13.29 10.07 23.62 17.76 0.1415 0.0908 0.9869 0.9938 9.28 6.38 16.34 11.18 0.1032 0.0458 0.9924 0.9978 7.06 3.80 12.38 6.64 0.0801 0.0106 0.9949 1.0000 5.79 0.00 10.13 0.00 3.9090 2.1580 1.4800 1.1210 0.9210
Tabla 18: Pendientes mximas y mnimas para cada marcha 2.7. La caracterstica dinmica del automvil
: Constante para cada marcha
Cambio de marcha 1ra
12.6
22.80
32.20
43.80
53.40
113.9 0.3808
2da
113.9 0.2092
3ra
113.9 0.1417
4ta
113.9 0.1048
5ta
113.9 0.0831
Tabla 19: Factor dinmico del automvil para las velocidades iniciales de cada marcha Ingeniera Automotriz pgina 20
Universidad Nacional De Trujillon [rpm] 2000 0.3808 0.2092 0.1417 0.1048 0.0831 2500 0.3832 0.2093 0.1396 0.1000 0.0754 3000 0.3840 0.2104 0.1415 0.1032 0.0801 3500 0.3787 0.2059 0.1358 0.0951 0.0689 4000 0.3702 0.2003 0.1304 0.0885 0.0607 4500 0.3580 0.1925 0.1231 0.0803 0.0508 5000 0.3419 0.1824 0.1141 0.0705 0.0391 5500 0.3219 0.1700 0.1033 0.0590 0.0257 6000 0.2891 0.1554 0.0908 0.0458 0.0106
Tabla 20: Factores dinmicos para cada marcha 2.8 La caracterstica universal del vehculo o pasaporte dinmico de la unidad vehicular Tenemos
Donde : Factor dinmico del vehculo con carga completa : Factor dinmico del vehculo con carga parcial : Carga parcial del vehculo : Peso bruto vehicular Para el vehculo completamente descargado, tenemos:
Donde : Factor dinmico del vehculo completamente descargado : Peso seco del vehculo automotor Escala para el % de carga
Escala para
Escala para
Entonces
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pgina 21
Universidad Nacional De Trujillo Adems en el estado lmite de la 1 Condicin de Marcha, tenemos:
Entonces
Donde : Factor dinmico por adherencia con carga parcial. : Fuerza de adherencia [N] : Fuerza de resistencia del aire [N] : Carga mxima vehicular [N] Durante el patinaje del vehculo, la velocidad de desplazamiento es relativamente pequea. Por lo tanto, se puede asumir:
Para nuestro estudio, el coeficiente de distribucin lo consideramos:
Al reemplazar en (18)
Reemplazando los valores en Ecuacin (18), obtenemos: Para carga completa y carga en vaco, tenemos:
Donde: Ga G1 G2 Go : : : : Peso bruto vehicular = 1645 kgf. Carga mxima sobre el eje delantero = 871.85 kgf. Carga mxima sobre el eje trasero =773.15 kgf. Peso en vaco del vehculo = 1185 kgf. Carga en vaco sobre el eje delantero = 628.05 kgf. Carga en vaco sobre el eje trasero = 556.95 kgf.
Go1 : Go2 :
Escala para D
100:
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Escala para D 0:
1
0.5 1ra 2da 3ra 4ta 5ta
0.9rojo: coeficiente de carga; magenta: coeficiente de adherencia
0.45
0.8
0.4
0.6
factor dinamico y factor de adherencia
0.7
0.35
0.3
0.5
0.25
0.4
0.2
0.3
0.15
0.2
0.1
0.1
0.05
0
0
20
40 60 porcentaje de carga
80
100
0
0
50 100 velocidad del vehiculo [Km/h]
150
Figura7: Pasaporte dinmico de la unidad vehicular 2.9. Balance de potencia de traccin en carretera
Tenemos que
O tambin
Adems se sabe que
Y si el automvil funciona en rgimen estabilizado
, por eso:
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De las ecuaciones (10) y (12) se conoce
,
Estas ecuaciones son validas para cada marcha del automvil. Los resultados para para6
estn listados para cada marcha en la tabla 6; mientras que
,x 104
,
,
se encuentran en las tablas 8 a 17.
potencia efectiva(negro),disponible (verde) y requerida (magenta) [W]
1ra 5
3ra 2da
4ta
5ta
4
3
2
1
0
0
20
40
60
80 100 velocidad del automovil [Km/h]
120
140
160
180
Figura 8: Potencia disponible y potencia requerida para cada marcha del automvil 1.10 La aceleracin del vehculo automvil a. Clculo de la aceleracin De la ecuacin (14)
Entonces
Donde : Aceleracin de la gravedad=9.81 pgina 24
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Universidad Nacional De Trujillo : Relacin de transmisin : Coeficiente que considera las masas rotacionales durante los cambios de marcha. : Factor dinmico : Coeficiente de resistencia total del camino, en nuestro caso consideraremos para2.5
2
1ra 2da 3ra 4ta 5ta
aceleracion [m/s2]
1.5
1
0.5
0
0
20
40
60
80 100 velocidad del vehiculo [Km/h]
120
140
160
Figura 9: Aceleracin para las distintas marchas
0.3808 0.3832 0.3840 1.6512 0.3787 0.3702 0.3580 0.3419 0.3219 0.2891
12.60 15.75 18.90 22.05 25.20 28.35 31.50 34.65 37.80
0.3608 0.3640 0.3632 0.3587 0.3502 0.3380 0.3219 0.3019 0.2781
2.1438 2.1623 2.1580 2.1308 2.0808 2.0080 1.9123 1.7938 1.6525
Tabla 21: Aceleracin en la primera macha Ingeniera Automotriz pgina 25
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0.2092 0.2093 0.2104 0.2059 1.2263 0.2003 0.1925 0.1824 0.1700 0.1554
22.80 28.50 34.20 39.90 45.60 61.30 57.00 62.70 68.40
0.1892 0.1904 0.1893 0.1859 0.1803 0.1725 0.1624 0.1500 0.1354
1.5138 1.5230 1.5141 1.4873 1.4425 1.3797 1.2989 1.2002 1.0834
Tabla 22: Aceleracin en la segunda marcha
0.1417 0.1396 0.1415 0.1358 0.1304 1.1276 0.1231 0.1141 0.1033 0.0908
33.20 41.50 49.80 58.10 66.40 74.70 83.00 91.30 99.60
0.1217 0.1215 0.1196 0.1158 0.1104 0.1031 0.0941 0.0833 0.0708
1.0591 1.0573 1.0402 1.0078 0.9601 0.8970 0.8186 0.7249 0.6158
Tabla 23: Aceleracin en la tercera marcha
0.1048 0.1000 1.0903 0.1032 0.0951 0.0885 0.0803 0.0705 0.0590 0.0458
43.80 54.75 65.70 76.65 87.60 98.55 109.50 120.45 131.40
0.0848 0.0832 0.0800 0.0751 0.0685 0.0603 0.0505 0.390 0.0258
0.7631 0.7488 0.7196 0.6755 0.6166 0.5428 0.4541 0.3505 0.2321
Tabla 24: Aceleracin en la segunda marcha Ingeniera Automotriz pgina 26
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0.0831 0.0754 0.0801 0.0689 1.0739 0.0607 0.0508 0.0391 0.0257 0.0106
53.40 66.75 80.10 93.45 106.80 120.15 133.50 146.85 160.20
0.0631 0.0601 0.0554 0.0489 0.0407 0.0308 0.0191 0.0057 0.0096
0.5764 0.5490 0.5058 0.4468 0.3719 0.2812 0.1746 0.0522 0.001
Tabla 25: Aceleracin en la quinta marcha b. Anlisis y recomendaciones La masa bruta vehicular del automvil en cuestin es 1645Kg.=1.645Ton. Y el motor tiene una potencia nominal de 57KW=77.446HP; luego la potencia por tonelada resulta 47.079HP/Ton. Y si nos vamos a los datos histricos tenemos que para este tipo de vehculos, corresponde a los de mediana cilindrada, y su factor dinmico mximo en primera marcha debera estar entre 35 y 50%, el cual en nuestros resultados tenemos 38%, el cual significa que es correcto nuestros clculos; otro punto importante es la aceleracin mxima en primera que debe estar entre 2 y 2.5m/s2, en nuestros resultados obtenidos tenemos 2.14m/s2 el cual es un buen indicador. De la tabla 25 podemos observar que la aceleracin para la ultima marcha tiende a cero, esto significa que el automvil al ser de alta velocidad ya no puede acelerar ms y que posiblemente aparezca alguna aceleracin negativa para que el balance de traccin requerida y disponible sea igual, por lo que se recomienda realizar un anlisis a detalle lo que sucedera si aparece aceleraciones negativas. 2.11 El consumo de combustible en carretera a. En el sistema internacional
Por lo tanto
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Donde : Consumo de combustible en carretera [Lt/100Km] : Fuerza traccional requerida [KN] sus valores se encuentran con las ecuaciones (10) y (12): [KN]
: Fuerza inercial manifestada por las distintas masas rotacionales del vehculo
: Densidad de la gasolina=0.68Kg/Lt : Rendimiento de la transmisin=0.9 : Consumo especifico de combustible correspondiente al rgimen dado de funcionamiento del motor, en gr/KWh : Consumo de combustible efectivo del motor en el rgimen de mxima potencia.= 181.67 g r/ KWh : Coeficiente que considera la dependencia del consumo especfico de combustible en funcin de la velocidad de giro del cigeal. : Coeficiente que considera la dependencia del consumo especfico de combustible en funcin del grado de utilizacin de la potencia. b. Elaboracin de la tabla de consumo de combustible La caracterstica econmica del consumo de combustible, es la grfica de la funcin:
Las curvas caractersticas de consumo de combustible, las evaluaremos para 3 condiciones de camino en 5ta marcha: i. ii. iii.
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16
14consumo en carretera [Lt/100Km]
pendiente menor pendiente intermedia pendiente mayor
12
10
8
6
4
2 40
60
80
100 120 velocidad en alta [Km/h]
140
160
180
Figura 10: Consumo en carretera del automvil para diferentes pendientes
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Universidad Nacional De Trujillo 2.12 Conclusiones y recomendaciones
Se concluye Es factible calcular las velocidades, aceleraciones, potencias requeridas y disponibles, as como el balance traccional para la unidad vehicular Fiat Punto Evo Dynamic 5p, a partir de los parmetros de diseo recogidos de la ficha tcnica. Nosotros obtuvimos una velocidad mxima de 160.2km/h, mientras que en la ficha se muestra 162km/h, es lo suficientemente cercano, a partir de ello se calcula para cada rpm del motor, hasta llegar a la rpm de mxima potencia para cada marcha, por lo tanto se puede relacionar para cada rgimen la potencia que se requiere para cada condicin de marcha, obteniendo fcilmente las condiciones de funcionamiento. El vehculo puede vencer pendientes hasta de 39% como mximo segn nuestros resultados, el cual se encuentra dentro del margen del 45%. El vehculo gasta menos combustible en el margen de velocidades de 80100km/h. La aceleracin del vehculo van desde valores muy cercanos a cero para la ultima marcha y a un valor mximo de 2.14m/s 2 en la primera marcha; el valor muy cercano a cero indica que cuando el vehculo llega a la mxima velocidad ya no puede acelerar ms. Conocido el pasaporte dinmico del automvil, ya ser fcil encontrar la marcha para diferentes tipos de carga y condiciones de camino. Se recomienda Realizar un anlisis para el balance de potencias, consumo para ms valores de resistencias totales del camino con la finalidad de obtener resultados ms precisos y conocer mejor a la unidad vehicular. Realizar el anlisis para el vehculo alternativo.
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Universidad Nacional De Trujillo 2.13 Bibliografa D.A. Chudakov, Mosc 1977, Fundamentos de la teora del clculo de tractores y automviles (versin en espaol). A.M. Gurvich, E.M. Sorokin, Editorial MIR, Mosc 1978, Tractores y Automviles. M.S. Jovaj, Editorial MIR, Motores de Automvil. Apuntes de clase, M.Sc. Ing. Javier Bacilio Quiroz. Pginas de internet www.fiat.com
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Universidad Nacional De Trujillo 2.14 Anexos INDICES DE TABLAS Tabla (pgina) Tabla 1: Valores de la constante k para cada relacin de velocidad (11) Tabla 2: Velocidades del vehculo para cada relacin de velocidad de la caja y para diferente rpm del motor en Km/h. (11) Tabla 3: Potencia y torque efectivo para cada valor de rpm del motor (11) Tabla 4: Velocidades mximas y mnimas para diferentes marchas (11) Tabla5: Constante para fuerza de traccin para cada relacin de transmisin (13) Tabla 6: Valores de la fuerza traccional disponible para cada marcha (13) Tabla 7: Valores de coeficientes de resistencias totales de la carretera a velocidad mxima (15) Tabla 8: Fuerza traccional requerida primera marcha (16) Tabla 9: Fuerza traccional requerida segunda marcha (16) Tabla 10: Fuerza traccional requerida tercera marcha (16) Tabla 11: Fuerza traccional requerida cuarta marcha (16) Tabla 12: Fuerza traccional requerida quinta marcha (16) Tabla 13: Potencia traccional requerida primera marcha (18) Tabla 14: Potencia traccional requerida segunda marcha (18) Tabla 15: Potencia traccional requerida tercera marcha (18) Tabla 16: Potencia traccional requerida cuarta marcha (18) Tabla 17: Potencia traccional requerida quinta marcha (18) Tabla 18: Pendientes mximas y mnimas para cada marcha (20) Tabla 19: Factor dinmico del automvil para las velocidades iniciales de cada marcha (20) Tabla 20: Factores dinmicos para cada marcha (21) Tabla 21: Aceleracin en la primera macha (25) Tabla 22: Aceleracin en la segunda marcha (26) Tabla 23: Aceleracin en la tercera marcha (26) Tabla 24: Aceleracin en la segunda marcha (26) Tabla 25: Aceleracin en la quinta marcha (27) Tabla 26: Tabla de Consumo de combustible en carretera (30) Ingeniera Automotriz pgina 33
Universidad Nacional De Trujillo INDICE DE GRAFICAS Grfica (pgina) Figura 1: Curva potencia efectiva en funcin de las rpm del motor (8) Figura 2: Curva torque efectivo en funcin de las rpm del motor (8) Figura 3: Curva consumo especfico en funcin de las rpm del motor (10) Figura 4: Cronograma de cambio de velocidades basado en las rpm del motor (12) Figura 5: Cronograma de cambio de velocidades basado en las relaciones de velocidad y la fuerza de traccin bruta (13) Figura 6: Fuerza traccional disponible y requerida para el automvil a diferentes marchas y pendientes (17) Figura7: Pasaporte dinmico de la unidad vehicular (23) Figura 8: Potencia disponible requerida para cada marcha del automvil (24) Figura 9: Aceleracin para las distintas marchas (25) Figura 10: Consumo en carretera del automvil para diferentes pendientes (29)
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Universidad Nacional De Trujillo Ficha tcnica del automvil Fiat Punto Evo Dynamic 5p
Prestaciones y consumo homologados Velocidad mxima (km/h) 162 Aceleracin 0-100 km/h (s) 13,2 Aceleracin 0-1000 m (s) -Recuperacin 80-120 km/h en 4 (s) -Consumo urbano (l/100 km) 9.4 Consumo extraurbano (km/l) 16.1 Consumo medio (l/100 km) 7.4 Emisiones de CO2 (gr/km) 149 Impuesto de matriculacin 4,75 % Dimensiones, peso, capacidades Tipo Carrocera Turismo Nmero de puertas 5 Largo / ancho / alto (mm) 4065 / 1687 / 1490 Batalla / va delantera - trasera (mm) 2510 / 1473 - 1466 Coeficiente Cx - Superficie frontal (m2) -- - -- - -Factor de resistencia PBV/Pseco (kg) 1645/1185 Capacidad del depsito de combustible (l) 45 Volumen del maletero / con asientos 275 / 1030 abatidos (l) Nmero de plazas cinco Motor Combustible Potencia mxima CV - kW / rpm Par mximo Nm / rpm Situacin Nmero de cilindros Material del bloque / culata Dimetro x carrera (mm) Cilindrada (cm3) Relacin de compresin Distribucin Alimentacin gasolina 77 - 57 / 6000 115 / 3000 delantero transversal 4 en lnea -hierro fundido / aluminio 72 x 84 1368 11 2 vlvulas por cilindro. un rbol de levas en la culata. multipunto
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Universidad Nacional De TrujilloTransmisin Traccin Caja de cambios (C514) Desarrollos (km/h a 1.000 rpm) 1 2 3 4 5 Hacia atrs Relacin del puente motriz Suspensin delantera 3.909 2.158 1.480 1.121 0.921 3.818 5.208 delantera Manual , cinco velocidades
Chasis Independiente. Tipo McPherson. Resorte helicoidal. Barra estabilizadora. Suspensin trasera Semi-independiente. Brazo tirado. Viga transversal de torsin. Resorte helicoidal. Frenos delanteros (dimetro mm) disco ventilado (257 mm) Frenos traseros (dimetro mm) tambor (228 mm) Tipo de direccin de cremallera Dimetro de giro entre bordillos / paredes 10 / -(m) Vueltas de volante entre topes -Neumticos 175/65 R15 Llantas --
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Universidad Nacional De Trujillo Especificaciones tecnicas del vehculo opcional Lancia Ypsilon 1.4 8v 77 cv platino. 77cv Marca: Lancia Consumo, emisiones e impuesto de matriculacin Emisiones: 130 grCO2/km Impuesto de matriculacin: 4.75 % sobre el valor del vehculo. Combustible: Gasolina Consumo real: 5.5 l/100km Gasto de gasolina super 95 a los 100 Kilmetros: 6,32 Gasto de gasolina super 98 a los 100 Kilmetros: 6,97 . Motorizacin Potencia: 77 CV, 1368cc, #cilindros 4, traccin delantera, cambio manual, parmaximo 102Nm, Medidas Largo 3810mm, ancho 1704mm, alto 1530mm, 4 plazas
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