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Madrid Agosto de 2014

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

Especialidad Mecánica

PROYECTO TÉCNICO-ECONÓMICO DE DISEÑO DE UN MOTOR DE

MOTOCICLETA

Autor: Francisco Herrera García

Director: David Miguel López

1

AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN ACCESO

ABIERTO ( RESTRINGIDO) DE DOCUMENTACIÓN

1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma.

El autor D. Francisco Herrera García, como alumno de la UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS

(COMILLAS), DECLARA

que es el titular de los derechos de propiedad intelectual, objeto de la presente cesión, en

relación con la obra proyecto fin de grado: PROYECTO TÉCNICO‐ECONÓMICO DE DISEÑO DE

UN MOTOR DE MOTOCICLETA, que ésta es una obra original, y que ostenta la condición de

autor en el sentido que otorga la Ley de Propiedad Intelectual como titular único o cotitular de

la obra.

En caso de ser cotitular, el autor (firmante) declara asimismo que cuenta con el

consentimiento de los restantes titulares para hacer la presente cesión. En caso de previa

cesión a terceros de derechos de explotación de la obra, el autor declara que tiene la oportuna

autorización de dichos titulares de derechos a los fines de esta cesión o bien que retiene la

facultad de ceder estos derechos en la forma prevista en la presente cesión y así lo acredita.

2º. Objeto y fines de la cesión.

Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de la

Universidad y hacer posible su utilización de forma libre y gratuita ( con las limitaciones que

más adelante se detallan) por todos los usuarios del repositorio y del portal e‐ciencia, el autor

CEDE a la Universidad Pontificia Comillas de forma gratuita y no exclusiva, por el máximo plazo

legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de reproducción, de

distribución, de comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición electrónica,

tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El derecho de transformación se

cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra (a) del apartado siguiente.

3º. Condiciones de la cesión.

Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de

derechos contemplada en esta licencia, el repositorio institucional podrá:

(a) Transformarla para adaptarla a cualquier tecnología susceptible de incorporarla a internet;

realizar adaptaciones para hacer posible la utilización de la obra en formatos electrónicos, así

como incorporar metadatos para realizar el registro de la obra e incorporar “marcas de agua”

o cualquier otro sistema de seguridad o de protección.

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(b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica,

incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de

garantizar su seguridad, conservación y preservar el formato. .

(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo abierto institucional,

accesible de modo libre y gratuito a través de internet.

(d) Distribuir copias electrónicas de la obra a los usuarios en un soporte digital.

4º. Derechos del autor.

El autor, en tanto que titular de una obra que cede con carácter no exclusivo a la Universidad

por medio de su registro en el Repositorio Institucional tiene derecho a:

a) A que la Universidad identifique claramente su nombre como el autor o propietario de los

derechos del documento.

b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través

de cualquier medio.

c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada. A tal fin deberá ponerse

en contacto con el vicerrector/a de investigación ([email protected]).

d) Autorizar expresamente a COMILLAS para, en su caso, realizar los trámites necesarios para

la obtención del ISBN.

d) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras

personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos de

propiedad intelectual sobre ella.

5º. Deberes del autor.

El autor se compromete a:

a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún

derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro.

b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la

intimidad y a la imagen de terceros.

c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños, que

pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e

intereses a causa de la cesión.

d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por

infracción de derechos derivada de las obras objeto de la cesión.

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6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional.

La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y

respetuoso con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con

fines de estudio, investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la Universidad

asume los siguientes deberes y se reserva las siguientes facultades:

a) Deberes del repositorio Institucional:

‐ La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no garantiza

ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un uso posterior

de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más allá de la copia

privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no se obtenga beneficio

comercial, y que no se realicen obras derivadas.

‐ La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo la

responsabilidad exclusiva del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en nombre

del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectual derivados del

depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamación frente a la

Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que los usuarios hagan uso

de las obras.

‐ La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un

futuro.

b) Derechos que se reserva el Repositorio institucional respecto de las obras en él registradas:

‐ retirar la obra, previa notificación al autor, en supuestos suficientemente justificados, o en

caso de reclamaciones de terceros.

Madrid, a 28 de agosto de 2014.

ACEPTA

Francisco Herrera García.

Fdo:

Madrid Agosto de 2014

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

Especialidad Mecánica

PROYECTO TÉCNICO-ECONÓMICO DE DISEÑO DE UN MOTOR DE

MOTOCICLETA

Autor: Francisco Herrera García

Director: David Miguel López

PROYECTO TÉCNICO-ECONÓMICO DISEÑO DE UN MOTOR DE MOTOCICLETA.

Autor: Herrera García, Francisco.

Director: Miguel López, David.

Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia Comillas.

RESUMEN DEL PROYECTO

1. Introducción.

Este proyecto trata de dar una solución alternativa a la construcción de un motor de motocicleta monocilíndrico con materiales distintos de los tradicionales, centrándose sobre todo en los elementos más relevantes que lo constituyen como son el pistón, la biela y el cigüeñal. El objetivo es sustituir el acero del cigüeñal por un material que aguante los mismos esfuerzos que este y mejore las características del motor. Un material polímero permite reducir el peso y los costes de fabricación en serie ya que las piezas se fabrican por inyección, un proceso mucho más barato que el de conformado de piezas de acero. Con el fin de implementar el nuevo material plástico se analizarán los esfuerzos sufridos por el cigüeñal para extraer las solicitaciones de trabajo de la pieza y elegir un material polímero puro o composite que se adecúe a dicha aplicación. Una vez elegido el material, se validará la pieza fabricada con él mediante simulación en SolidWorks y se propondrá un presupuesto a fin de demostrar el ahorro de costes que supone fabricar el cigüeñal con el nuevo material polímero.

1.2. Estado de la cuestión.

Desde sus inicios los motores de combustión han sido fabricados principalmente con acero. El primer motor de dos tiempos construido en serie por Jean Joseph Etienne Lenoir en 1860, considerado como el origen de la producción en serie de motores, estaba constituido casi en su totalidad por elementos hechos de acero. Esta era la causa de su gran peso, cuatro toneladas de motor que hacían impensable la fabricación de un vehículo movido por él, además de su ineficiencia. Este motor todavía funcionaba con gas como combustible en vez de petróleo. No fue hasta 1883 cuando Nicolaus August Otto construyó un motor de cuatro tiempos basado en sus diseños anteriores que funcionaba con petróleo como combustible. Al utilizar un nuevo combustible las fuerzas durante la explosión eran distintas, pero el acero gracias a sus grandes propiedades incluso a altas temperaturas se siguió tomando como material principal en la fabricación de motores, unido también a la circunstancia de que era uno de los pocos materiales de esas características con el que se podían construir los elementos de un

motor y que el conocimiento de sus procesos de tratado y conformado eran avanzados. Las investigaciones de años venideros en este campo iban más enfocadas a cómo aumentar el rendimiento de los motores y dotarlos de más potencia optimizando la quema del combustible (los primeros motores entregaban solo unos 3 CV de potencia y tenían un rendimiento cercano al 5%). Con el rediseño de sus elementos se consiguió reducir el tamaño de los motores hasta poder montarlos en vehículos a los que transmitieran el movimiento. Un descubrimiento que abrió la puerta a la utilización de nuevos materiales en la industria de los motores fue el proceso de obtención de aluminio por electrólisis (1889). Esto aumento la disponibilidad del aluminio para usos industriales y despertó el interés por introducirlo en la fabricación de motores debido a su ligereza y buenas propiedades mecánicas. Este método ha provocado que desde su invención el aluminio haya ido reemplazando al acero en muchos de los elementos que forman el motor como son los cilindros, la culata y demás elementos que requieran de una alta conductividad térmica y buenas propiedades mecánicas. Con el paso del tiempo se han ido introduciendo nuevos materiales que mejoran el comportamiento del conjunto del motor. Por ejemplo, se han introducido materiales compuestos en la fabricación de partes del bloque motor para absorber mejor las vibraciones producidas por las explosiones y absorber el ruido provocado por ellas. Así mismo se ha buscado reducir al máximo el rozamiento de todos los elementos del motor incorporando en los lugares donde se produce materiales de bajo coeficiente de fricción como el bronceo incluso polímeros resistentes al desgaste. Incluso se están estudiando las posibilidades que tienen los materiales cerámicos en esta industria gracias a su gran resistencia térmica, su peso reducido (un 70% menos que el acero) y su bajo coeficiente de fricción. . Una buena muestra de los últimos avances en el uso de nuevos materiales en el mundo del motor es la fórmula uno. En esta categoría se está investigando combinar el aluminio con otros elementos como el oxígeno para obtener materiales con mayores puntos de fusión que pueden llegar a alcanzar los 2500 o C. Este es el caso del óxido de aluminio o alúmina. En la fórmula uno se está estudiando el uso de este compuesto para recubrir las paredes de la cámara de combustión formada por el cilindro y el pistón para poder provocar la explosión a temperaturas de alrededor de 2000 o C y así aumentar el rendimiento del motor. Otro claro ejemplo es la utilización de la fibra de carbono, un material compuesto que gracias a sus propiedades ha desbancado al aluminio en la fabricación de la carrocería de un fórmula uno y con el que se está estudiando la manera de implantarlo en la fabricación del propio motor.

Como se puede ver el desarrollo de la tecnología en el mundo de los materiales ofrece infinidad de nuevas posibilidades a la hora de rediseñar la estructura de un motor. Este proyecto trata de mostrar el futuro que tienen todas estas nuevas tecnologías. A su vez propone una solución concreta, la sustitución de los materiales tradicionales en uno de los componentes del motor (como es el cigüeñal) por uno de estos nuevos materiales emergentes con el fin de optimizar el aspecto económico de la fabricación de un motor así como mejorar su rendimiento general.

1.3. Motivación.

Actualmente la tecnología del sector de los motores está perfectamente definida. Los principales campos de investigación en los que se está trabajando actualmente se centran en aumentar el rendimiento de los motores, en reducir el consumo de combustible o en hacer más preciso su funcionamiento incorporando dispositivos electrónicos a la estructura base diseñada. Sin embargo, el propósito de este proyecto es determinar si es posible modificar la forma clásica de fabricar los motores sustituyendo materiales como el acero por otros que permitan fabricar motores en serie de una forma más económica. Este paso convertirá esta tecnología en un método de obtención de energía más asequible. Las aplicaciones en las que se usan este tipo de motores también reducirán significativamente su coste. Ejemplos de aplicación son el uso de motores para el abastecimiento de pequeños grupos electrógenos, motores para bombas, motosierras y el caso que se estudia en este proyecto que es la construcción de una motocicleta de pequeña cilindrada.

Otro de los objetivos es la mejora de las propiedades funcionales del motor. La implantación de nuevos materiales distintos del acero conlleva la mejora de ciertas características del motor tanto estructurales como de confort para el usuario. El peso del conjunto del motor se verá reducido como también se reducirán los niveles de ruido en condiciones de trabajo, al ser el nuevo material más ligero y capaz de absorber mejor las vibraciones. Estas mejoras permiten una manipulación más cómoda y sencilla del motor. Referido a la aplicación en motocicletas, una reducción de peso de un elemento permite aligerar el peso total de la motocicleta y así conseguir más rendimiento global de esta pues se necesita menos potencia para moverla. Esta tecnología mejorada se podría introducir en el mundo de la competición, donde el peso juega un papel importante en la mejora del rendimiento de la motocicleta. En este proyecto se busca introducir las nuevas tecnologías desarrolladas en el campo de los materiales en el mundo de los motores. Los motores pequeños son un buen punto de partida para mostrar cuánto puede abaratarse el precio de producción y cómo influiría esto en las ventas de productos que incorporen este tipo de motores.

2. Objetivos del proyecto.

Los objetivos de este proyecto son:

‐ Estudiar el diseño y las condiciones de funcionamiento que caracterizan a un motor de motocicleta monocilíndrico de 50 cc aproximadamente. Extraer los datos necesarios para poder hacer un estudio de este por elementos finitos.

‐ Encontrar un material que resista los esfuerzos y temperaturas que se dan en el motor y redimensionar el cigüeñal del motor con el nuevo material de forma que

pueda ser implantado en el motor mejorando las prestaciones del material sustituido.

‐ Analizar los procesos de conformado de piezas con ese material y elegir el óptimo que reduzca los costes de producción de esa pieza y que además pueda implementarse en una cadena de montaje de motores.

‐ Optimizar el diseño del cigüeñal aprovechando las ventajas que ofrecen los nuevos procesos de conformado (inyección) del nuevo material polímero elegido en la consecución de formas complejas.

‐ Comprobar que el nuevo motor incrementa ciertas propiedades mecánicas y funcionales con respecto a los motores tradicionales. Puesto que es un proyecto clásico este análisis no entrará en términos de investigación.

‐ Estudiar la rentabilidad de la fabricación y venta de este tipo de motores

3. Metodología de trabajo.

Se comenzará a abordar el problema propuesto diseñando el tren alternativo del motor con ayuda de los fundamentos teóricos desarrollados hasta ahora en esta materia. Primero se elige un motor modelo (motor de motocicleta monocilíndrico de dos tiempos y 50 centímetros cúbicos de cilindrada aproximadamente).La elección se justifica puesto que un motor de pequeña cilindrada sufrirá menos esfuerzos que uno de cilindrada mayor y las propiedades mecánicas que deberá tener el material a elegir no serán tan exigentes. Se procederá a diseñar los planos del pistón, la biela y el cigüeñal del motor. El diseño se hará en un programa CAD que permita expresarse gráficamente en dos dimensiones, como puede ser AutoCAD. A continuación se exportaran los planos a un programa que permita representar el motor en tres dimensiones a partir de ellos (SolidWorks). Con el modelo del motor en tres dimensiones ya se pueden simular los esfuerzos que soportan cada una de las piezas mediante un análisis por elementos finitos. Una vez se tengan calculados todos los esfuerzos se acudirá a la base de datos de materiales del programa CES Edupack, donde se localizarán los materiales candidatos que cumplan los requerimientos mecánicos. La clave en la elección del material será el factor económico, sus procesos de fabricación y conformado y su facilidad para integrarlo en una cadena de montaje en serie. El material elegido tras la búsqueda ha sido el tereftalato de polietileno con un refuerzo del 50% de fibras cortas de vidrio.

Con el material ya elegido solo queda dimensionar el cigüeñal para que soporte los esfuerzos a los que va a ser sometido. Con ayuda del módulo de simulación de SolidWorks se localizan los puntos del cigüeñal donde se concentra el mayor número de tensiones. Se propone un nuevo diseño suavizando las transiciones de espesor a fin de repartir las tensiones por toda la superficie, evitando concentraciones perjudiciales en términos de fatiga.

En cuanto toda la parte técnica del proyecto quede cerrada y contrastada se pasa a realizar un presupuesto industrial del nuevo cigüeñal. Se obtiene un precio final de venta del cigüeñal de 19,79 euros.

4. Resultados y conclusiones.

Los resultados obtenidos tras la consecución del proyecto reflejan el potencial de los materiales polímeros y compuestos como sustitutos de los materiales tradicionales, en este caso en la industria del motor. El cigüeñal de tereftalato de polietileno reforzado con un 50% de fibra de vidrio, según los resultados de la simulación, aguanta sin problemas todos los esfuerzos producidos en condiciones de trabajo. El rediseño del cigüeñal permite repartir las tensiones a lo largo de su superficie sin incurrir en un coste adicional. Así mismo, el precio de venta obtenido muestra la gran reducción de costes que supone la reducción de todas las fases de obtención del cigüeñal a una única, la de inyección, permitiendo vender el cigüeñal a un precio tres veces menor y sacando el mismo beneficio. Por motivos de falta de información no ha podido profundizarse a fondo en el estudio de fatiga de la pieza, pero los datos recopilados hacen pensar que la pieza se comportará muy bien. Aunque la tenacidad del nuevo material es muy buena, falta contrastar todos los resultados teóricos de este proyecto con ensayos prácticos.

TECHNICAL AND ECONOMICAL PROJECT ABOUT DESIGNING OF A MOTORCYCLE ENGINE.

Author: Herrera García, Francisco.

Supervisor: Miguel López, David.

Collaborating Entity: ICAI - Universidad Pontificia Comillas.

ABSTRACT

1. Introduction.

This project aims to provide an alternative to the construction of a single-cylinder motorcycle engine with non-traditional materials, primarily focusing on the most important constituent elements such as the piston, the connecting rod and the crankshaft. The goal is to replace steel crankshaft with a material that withstands the same efforts and improve the engine characteristics. A polymer material enables to reduce weight and manufacturing costs because the parts are made by injection, much cheaper than the current forming process of steel. In order to implement the new plastic material on the crankshaft, to remove the stresses of work piece and choose a pure polymer or composite materials that suit the application will be discussed. After choosing the material, the fabricated part will be validated through simulation aided by SolidWorks software. Furthermore, an industrial budget will be proposed to demonstrate the cost savings product of the new manufacturing process of the polymer crankshaft.

1.2. State of the art.

Since its inception, combustion engines have been made mainly of steel. The first two-stroke engine built in series by Jean Joseph Etienne Lenoir in 1860, considered as the origin of mass production engines, consisted almost entirely of elements made of steel. This was the cause of its huge weight (four tons).It was unthinkable that a vehicle could be moved by such a heavy and inefficient engine. This engine was still running with steam instead of fuel oil. It was not until 1883 when Nicolaus August Otto built a four-stroke engine operating with fuel oil. By using a new fuel, forces during the explosion were different, but the steel, thanks to their great properties (even at high temperatures) continued being the main material in the manufacture of engines.It was also due to the fact that it was one of the few materials of these characteristics with which they could build the elements of an engine and its manufacturing processes were well known and developed. Investigations of years to come in this field were more focused on how to increase engines performance and provide them with more power, optimizing fuel combustion (the first engines delivered only about 3 hp and had a

efficiency close to 5%). With the redesign of its elements, engines were able to reduce their size so it became possible to mount them on autopropelled vehicles. A discovery that opened the door to the use of new materials in the engine industry was the obtaining process of aluminum by electrolysis (1889). This increased availability of aluminum for industrial uses and awakened the interest of the usage of this material in the manufacture of engines, due to its light weight and good mechanical properties. This method has caused since aluminum invention has been replacing steel in many of the elements forming the engine such as the cylinder, the cylinder head and other components that require high thermal conductivity and good mechanical properties. As time passed by, they have been introducing new materials that improve the performance of the motor assembly. For example, composite materials have been introduced in the manufacture of engine parts to better absorb vibrations from the explosions and the friction of moving parts. It also has been sought to minimize the friction of all engine components incorporating materials with a low coefficient of friction such as copper and strong polymers. Even are studying the possibilities of ceramic materials in the industry thanks to its high heat resistance, low weight (70% less than steel) and low coefficient of friction.

A good example of the latest advances in the use of new materials in the world of Formula One engine. This category is investigating aluminum combine with other elements such as oxygen to obtain materials with higher melting points which can reach up to 2500 o C. This is the case of aluminum oxide or alumina. Formula one engineers are studying the use of this compound to coat the walls of the combustion chamber formed by the cylinder and the piston to ignite the fuel at temperatures around 2000 o C, thereby increasing engine performance. Another example is the use of carbon fiber, a composite material that due to its great properties has replaced aluminum in the manufacture of the body of a Formula One car and soon will be incorporated to the fabrication of the main parts of the engine.

As it can be seen, the development of technology in the world of emerging materials offers endless possibilities when it comes to redesign the structure of a motor. This project aims to show potential of all these new technologies by showin the application of the new material technology on a specific example, the replacement of traditional materials in one of the engine components (such as the crankshaft) by one of these new emerging materials in order to optimize the economics aspects of the manufacturing process of an engine, also improving its overall performance.

1.3. Motivatión for the project.

Currently, the technology required to build an engine is well defined. The main research fields are focused on increasing engine performance, reducing fuel consumption or making the engine movements more precise by incorporating electronic devices to better control the timing of each part. However, the purpose of this project is to determine whether it is possible to modify the classical way of engine construction by replacing materials such as steel with others that will enhance the mechanical properties of the engine as well as provide a significant reduction of the costs assumed in engine manufacturing. This step will turn this technology into a method of obtaining more affordable energy. Some application examples are the use of engines for supplying small electric generators, motors for water pumps, chainsaws and the case studied in this project, the construction of a small cubic capacity motorcycle engine. Another objective is to improve the functional properties of the motor. The introduction of new materials other than steel involves enhancement of certain structural features of both engine and user comfort. The weight of the engine will be reduced ,as well as the noise levels in working condition. Polymeric materials will produce lighter and more quiet engines. These improvements allow a more comfortable and easy engine usage. Referred to the application in motorcycles, a weight reduction of an element lightens the total weight of the motorcycle and thus enhances the overall performance because it needs less power to move the whole motorcycle. This improvements are very interesting when talking about the world of racing, where weight plays an important role in improving the performance of the motorcycle. This project seeks to introduce new developments in the field of materials in the engine world. Small motors are a good starting point to show how much you can reduce the production price of engines and how this influence product sale price, making it more affordable to the customer.

2. Project goals.

The main goals of this project are:

‐ Study the design and operating conditions that characterize a single-cylinder motorcycle engine of 50 c.c. Extract the necessary data to make a finite element study of the engine.

‐ Find a material that withstands the forces and temperatures that appear in the engine and resize the engine crankshaft made of polymeric material so that it can be introduced into the engine and improve the performance of the replaced material.

‐ Analyze the forming process of parts made of the new material and choose the best process to reduce the production costs of the piece.

‐ Optimize the design of the crankshaft using the possibilities of achieving complex shapes offered by the new forming processes (injection molding) of the new polymer material chosen.

‐ Check that the new engine certainly increases both mechanical and functional properties compared to traditional engines. This is a classic project so it does not involve research.

‐ Study the profitability of the manufacture and sale of the designed engine.

3. Working methodology.

The project will be started by designing the moving components of the engine using theoretical foundations developed in this area so far. First of all, an engine model is chosen (single cylinder two-stroke motorcycle and 50cc cubic capacity approximately) .This choice justified inasmuch as a small cubic capacity engine will suffer less stress that a larger cubic capacity one, and the mechanical properties of the new chosen material are no so strict. After, the technical drawings of the piston, the connecting rod and the crankshaft of the engine will be designed. The design is done in a Computer Aided Design software, such as AutoCAD. Then the technical drawings are exported to a CAD software that makes it possible to represent the components in three dimensions. With the engine model represented in three dimensions, a simulation can be ran on each part of the engine in order to calculate the efforts suffered by each component in working conditions. Once all efforts are calculated, the next step is searching in the CES Edupack software which material fulfills the mechanical requirements demanded by the application. The key in the choice of the new material is the economic factor, the manufacturing processes and the ease to integrate the process into an assembly line. The material chosen after the search has been polyethylene terephthalate with a reinforcement of 50% short glass fibers.

The next step is to simulate the crankshaft built of PET 50% GF to check if it withstands the stresses to which it will be subjected. Using the SolidWorks simulation module, points where most stress is concentrated are located. A new design is proposed taking on board the points where the maximum stresses are located. The new design consist of smoothing thickness transitions to distribute the stresses over the entire surface, preventing harmful concentrations in terms of fatigue.

As the technical part of the project is closed and contrasted, the work is refocused on making an industrial budget of the new crankshaft. A final selling price of 19.79 euros crankshaft is obtained.

4. Results and conclusions.

The results obtained after the completion of the project reflect the potential of polymers and composites as replacements for traditional materials, in this case in the motor industry. The crankshaft made of polyethylene terephthalate reinforced with 50% glass fiber, according to the simulation results, endures all efforts produced in working conditions. The redesign of the crankshaft allows distributing the stresses along its

surface without incurring additional cost. Also, the sale price obtained shows the large reduction in costs result from reducing all stages of production needed in the making of a steel crankshaft into one, injection molding, allowing the new PET 50% GF crankshaft to be sold at a price three times lower than the steel crankshaft. For reasons of lack of information, study of fatigue has not been deepened further, but the data collected suggest that the part will behave correctly. Although the toughness of the new material is very good, all theoretical results of this project have to be contrasted with field trials.

Índice general 1

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

Índice general

DOCUMENTO I: MEMORIA DESCRIPTIVA ...........................................................................7

Capítulo 1. Introducción. ..................................................................................................9

1.1. Estado del arte............................................................................................................................ 10

1.1.1. Antecedentes históricos ...................................................................................................... 10

1.1.2. Líneas de investigación actuales ......................................................................................... 15

1.2. Enfoque del proyecto. ................................................................................................................ 18

1.3 Justificación del proyecto. Objetivos. .......................................................................................... 19

Capítulo 2. Análisis y diseño del motor original. ............................................................... 21

2.1. Estudio del funcionamiento de un motor de 2 tiempos. ........................................................... 21

2.2. Diseño del tren alternativo del motor. ....................................................................................... 28

2.2.1. Modelado de los componentes del tren alternativo. ......................................................... 29

2.3. Simulación del tren alternativo. ................................................................................................. 33

2.3.1. Calculo de la presión máxima desarrollada en la combustión. ........................................... 34

2.3.2. Simulación del conjunto en SolidWorks y resultados. ........................................................ 38

Capítulo 3. Elección del nuevo material. ......................................................................... 45

3.1. Búsqueda de posibles materiales. ............................................................................................. 46

3.2. Análisis del material elegido. ...................................................................................................... 49

3.3. Validación del cigüeñal fabricado con el nuevo material. .......................................................... 53

Capítulo 4. Diseño final y conclusiones. ........................................................................... 57

4.1. Mejoras en el diseño del cigüeñal. ............................................................................................. 57

4.2. Método de fabricación del nuevo cigüeñal. ............................................................................... 66

4.2.1. El proceso de inyección de plásticos. .................................................................................. 67

4.3. Conclusiones. .............................................................................................................................. 71

DOCUMENTO II: PLANOS ................................................................................................. 75

1. Plano pistón ................................................................................................................................... 77

2. Plano biela. .................................................................................................................................... 79

3. Plano semicigüeñal izquierdo. ....................................................................................................... 81

4. Plano semicigüeñal derecho. ......................................................................................................... 83

5. Plano nuevo diseño semicigüeñal izquierdo. ................................................................................ 85

6. Plano nuevo diseño semicigüeñal derecho. .................................................................................. 87

Índice general 2


DOCUMENTO III: PRESUPUESTO ...................................................................................... 89

1. Introducción. ................................................................................................................................. 91

2. Costes de material. ........................................................................................................................ 92

3. Coste de personal. ......................................................................................................................... 92

4. Coste del puesto de trabajo. ......................................................................................................... 93

5. Presupuesto industrial final. .......................................................................................................... 95

6. Conclusiones. ................................................................................................................................. 97

DOCUMENTO IV: PLIEGO DE CONDICIONES ................................................................... 101

1. PLIEGO DE CONDICIONES GENERALES Y ECONÓMICAS .............................................................. 103

1.1 Normativa aplicada ............................................................................................................... 103

1.2 Responsabilidades contractuales .......................................................................................... 104

1.3 Condiciones económicas ....................................................................................................... 105

2. PLIEGO DE CONDICIONES TÉCNICAS Y PARTICULARES ............................................................... 106

2.1 Datos técnicos ....................................................................................................................... 106

2.2 Montaje del producto ........................................................................................................... 106

DOCUMENTO V: ANEXOS .............................................................................................. 107

1. Informe de simulación del diseño original del cigüeñal fabricado en acero AISI 4340. .............. 109

2. Informe de simulación del diseño final del cigüeñal fabricado en PET 50% GF. ......................... 141

Referencias bibliográficas. ............................................................................................. 157

Índice de figuras 3


Índice de figuras Figura 1. Ejemplos de aplicación del motor elegido. Imágenes cortesía de ITC Power (Bomba), Husqvarna (motosierra) y Honda (motor scooter). ............................................................................... 10 Figura 2. Explosión de sustancia inflamable en la cámara de combustión........................................... 11 Figura 3. Motor de Barsanti y Mateucci, el primer motor fabricado en serie. Imagen cortesía del museo nacional de la ciencia y la tecnología Leonardo da Vinci, Italia. ............................................... 11 Figura 4. Motor de gas inventado por Étienne Lenoir y vehículo en el que lo incorporó. Fuente: Autofoundry.com ................................................................................................................................... 12 Figura 5. Daimler Reitwagen Einspur, la primera motocicleta de la historia. ...................................... 13 Figura 6. Triciclo Benz Motor-Patent Motorwagen, considerado el primer automóvil de la historia. Cortesía de Daimler.com ....................................................................................................................... 13 Figura 7. Motor Ford EcoBoost 1.0 . Cortesía de xataca.com ............................................................... 15 Figura 8. Pistón y válvulas recubiertos de material cerámico ............................................................... 16 Figura 9. Ejemplos de piezas hechas de polímeros que tradicionalmente se hacían de acero. ............ 18 Figura 10. Procesos (tiempos) del ciclo de trabajo de un motor de cuatro tiempos (4T). Cortesía de makingdifferent.com ............................................................................................................................. 22 Figura 11. Partes de un motor de dos tiempos (2T) .............................................................................. 23 Figura 12. Procesos del ciclo de dos tiempos. ....................................................................................... 24 Figura 13. Diagrama P-V de los ciclos de aire Diésel teórico ............................................................... 25 Figura 14. Comparación diagrama P-V ciclo Otto real y teórico de aire de un MEP de cuatro tiempos (izquierda). Ciclo Otto real de un motor de dos tiempos (derecha). Cortesía de demoto.net ............... 26 Figura 15. Geometría del tren alternativo del motor. ........................................................................... 28 Figura 16. Vista isométrica (izquierda) e inferior (derecha) del pistón diseñado en SolidEdge. ........... 29 Figura 17. Imagen de la biela diseñada en Solid Edge. ......................................................................... 30 Figura 18. Distintas vistas del semicigüeñal izquierdo diseñado en Solid Edge. ................................... 31 Figura 19. Distintas vistas del semicigüeñal derecho diseñado en Solid Edge. ..................................... 31 Figura 20. Bulón del pistón. ................................................................................................................... 31 Figura 21. Anillo de retención en solid Edge. ........................................................................................ 32 Figura 22. Corona de agujas, diseño en Solid Edge simplificado. ........................................................ 32 Figura 23. Bulón del cigüeñal o muñequilla en Solid Edge. ................................................................... 32 Figura 24. Rodamiento de agujas, diseño simplificado en Solid Edge. ................................................. 32 Figura 25. Proceso de montaje del conjunto del tren alternativo (arriba) y conjunto terminado (abajo). ............................................................................................................................................................... 33 Figura 26. Paso de términos de presión a fuerza en la simulación del conjunto del motor. ................. 38 Figura 27. Sujeciones elegidas para la simulación en SolidWorks. ....................................................... 39 Figura 28. Representación gráfica del estado de tensiones resultado de la simulación del cigüeñal en SolidWorks. ............................................................................................................................................ 39 Figura 29. Localización del punto de máxima tensión en el conjunto simulado en SolidWorks. .......... 40 Figura 30. Sucesión de imágenes que ayudan a situar las regiones de la pieza que sufren los mayores esfuerzos. ............................................................................................................................................... 41

Índice de figuras 4


Figura 31. Representación gráfica de los desplazamientos sufridos por el cigüeñal tras su simulación en SolidWorks. ....................................................................................................................................... 42 Figura 32. Representación gráfica del resultado del estado de deformaciones de la pieza simulada en SolidWorks. ............................................................................................................................................ 43 Figura 33. Grafico Límite elástico - Precio de los materiales candidatos. ............................................. 47 Figura 34. Gráfico Módulo de Young – Precio de los materiales candidatos. ....................................... 47 Figura 35. Ejemplo de estructura del composite de matriz PET con refuerzo de fibras de vidrio ........ 50 Figura 36. Representación en SolidWorks de la apariencia del cigüeñal fabricado con PET 50% GF. .. 53 Figura 37. Representación gráfica del estado de tensiones sobre el cigüeñal fabricado con el nuevo material sometido a las máximas fuerzas de trabajo. .......................................................................... 54 Figura 38. Localización del punto de tensión máximo sufrido por el cigüeñal. Calculado mediante simulación en SolidWorks. ..................................................................................................................... 54 Figura 39. Regiones del cigüeñal donde se concentran los valores más altos de tensiones. ................ 54 Figura 40. Representación gráfica de los desplazamientos experimentados por la pieza.(SolidWorks). ............................................................................................................................................................... 55 Figura 41. Representación de la deformada del cigüeñal. Se ha utilizado una escala 60:1 para poder apreciar los desplazamientos en la pieza. ............................................................................................. 55 Figura 42. Resultados de deformaciones del cigüeñal construido con el nuevo material obtenidos con SolidWorks. ............................................................................................................................................ 56 Figura 43. Corte longitudinal (derecha) y transversal (centro) del cigüeñal por los planos que contienen al punto de máxima tensión. ................................................................................................ 58 Figura 44. Representación de los distintos casos posibles del comportamiento a fatiga de un material compuesto. Imagen cortesía de Chapman and Hall Ltd. ....................................................................... 59 Figura 45. Comparativa de las curvas S-N de distintos aceros con las de un material compuesto de matriz polimérica reforzado con fibra de vidrio. ................................................................................... 60 Figura 46. Rediseño del cigüeñal redondeando las aristas vivas del diseño original. ........................... 60 Figura 47. Nuevo diseño del cigüeñal con las aristas redondeadas. ..................................................... 61 Figura 48. Resultado del estado tensional del nuevo diseño obtenido por simulación en SolidWorks. Se indica el punto de mayor valor de tensión. ........................................................................................... 62 Figura 49. Segundo diseño del nuevo cigüeñal. .................................................................................... 63 Figura 50. Representación gráfica del estado de tensiones sobre el diseño final del cigüeñal. ........... 63 Figura 51. Representación del punto de máxima tensión (arriba) y del reparto de las mayores tensiones (abajo) sobre el diseño definitivo del cigüeñal. ..................................................................... 64 Figura 52. Resultados de los desplazamientos del diseño final de la pieza obtenidos tras simulación en SolidWorks. ............................................................................................................................................ 65 Figura 53. Resultados de deformaciones del diseño final de la pieza obtenidos tras simulación en SolidWorks. ............................................................................................................................................ 66 Figura 54. Máquina de inyección de plásticos y sus partes. Cortesía de oycmaquinasinyeccionsji.blogspot.com.es ............................................................................................ 67 Figura 55. Plano de la máquina de inyección ENGEL Victory 80/25 HL. Cortesía de Engel Global corp. ............................................................................................................................................................... 71

Índice de tablas 5


Índice de tablas Tabla 1. Valores de los parámetros geométricos del motor comparados con los valores típicos. ....... 29 Tabla 2. Principales porcentaje de aleantes que componen el acero AISI 4340. .................................. 46 Tabla 3. Principales propiedades del acero AISI 4340. .......................................................................... 46 Tabla 4. Datos de las principales propiedades de los polímeros candidatos. ....................................... 48 Tabla 5. Principales propiedades de algunos de los productos de la serie Petra de BASF. ................... 51 Tabla 6. Principales propiedades de algunos de los productos de la serie Arnite de DSM. .................. 51 Tabla 7. Principales propiedades de algunos de los productos de la serie Rytine de DuPont. .............. 52 Tabla 8. Parámetros de temperatura necesarios para la inyección de PET 50% GF. ............................ 69 Tabla 9. Especificaciones de la máquina elegida. ................................................................................. 70 Tabla 10. Días/horas anuales hábiles de trabajo. ................................................................................. 91 Tabla 11. Coste unitario del material necesario invertido en fabricar cada parte del cigüeñal por inyección. ............................................................................................................................................... 92 Tabla 12. Tabla salarial del operario encargado de la gestión del puesto de inyección del cigüeñal. . 93 Tabla 13. Cálculo del coste del puesto de inyección del cigüeñal. ........................................................ 94 Tabla 14. Producción anual de cada parte del cigüeñal. ...................................................................... 94 Tabla 15. Datos de fabricación de una partida de 1.000 cigüeñales pedidos por un cliente. .............. 95 Tabla 16. Presupuesto industrial de la pieza izquierda del cigüeñal. .................................................... 95 Tabla 17. Presupuesto industrial de la pieza derecha del cigüeñal. ..................................................... 96 Tabla 18. Precio de venta total final del conjunto del cigüeñal. ........................................................... 97

Índice de tablas 6


Capítulo 1. Introducción. 7

DOCUMENTO I:

MEMORIA DESCRIPTIVA


Capítulo 1.

Introducción.

El motor de combustión interna es uno de los inventos más relevantes de la historia de la ingeniería. Su aparición supuso una revolución tanto en el mundo del transporte como en la obtención de energía mecánica para infinitas aplicaciones. Desde sus inicios el motor de combustión interna no ha dejado de evolucionar a lo largo del tiempo. Gracias a los distintos avances técnicos que han ido surgiendo se ha podido mejorar enormemente su rendimiento, se ha podido reducir considerablemente su tamaño y se ha optimizado su producción haciéndolo así accesible a todas las personas. Y esta evolución, lejos de haberse estancado, prosigue en la actualidad con la entrada en escena de nuevas tecnologías, como el uso de polímeros y composites, que brindan un sinfín de posibles mejoras a la estructura tradicional del motor y a los materiales tradicionalmente empleados en su fabricación.

Este proyecto persigue mostrar todo el potencial que tienen estas nuevas tecnologías emergentes. En él se analizarán los elementos estructurales más importantes de un motor simple y se buscará dar con la solución que permita sustituir los materiales tradicionales que se emplean actualmente por otros como polímeros o composites que, además de soportar los esfuerzos estructurales que se desarrollan en un motor, mejoren algunas características del mismo. Con la implementación de estos materiales en el motor se reducirá considerablemente el peso del conjunto, ya que los polímeros son de media 5 veces más ligeros que el acero. También se mejorará el aspecto económico puesto que los procesos de conformado de los polímeros (inyección) son más baratos que los procesos típicos de conformado de piezas de acero (forja, fundición). Los polímeros como materia prima son más caros que el acero, pero en producciones a gran escala la diferencia de precio se ve amortizada. Este es otro de los puntos a tratar en el proyecto, el estudio económico de la viabilidad de fabricar el elemento constructivo seleccionado del material que se elija.

El tipo de motor elegido para realizar el proyecto es un motor de combustión interna de gasolina monocilíndrico de dos tiempos y de aproximadamente 50 cc de cilindrada. Es un tipo de motor que suelen montar la mayoría de ciclomotores y motocicletas de pequeña cilindrada del mercado, además de utilizarse para otras aplicaciones como motosierras, máquinas cortacésped de pequeña cilindrada, pequeños generadores portátiles, pequeñas motobombas, etc. ( Figura 1) . Se ha elegido este tipo de motor por tu gran variedad de aplicaciones, su sencillez y por ser un motor pequeño que no soporta grandes esfuerzos con lo que su análisis e implantación de los nuevos materiales resulta más sencilla.


Figura 1. Ejemplos de aplicación del motor elegido. Imágenes cortesía de ITC Power (Bomba), Husqvarna (motosierra) y Honda (motor scooter).

Debido al poco tiempo disponible para la realización del proyecto, el análisis de elementos constructivos del motor se centrará en los que componen el mecanismo intercambiador de energía: pistón, biela y cigüeñal. Se diseñará el conjunto de estos tres elementos ya que se considera que son los elementos más importantes en el funcionamiento del motor. Se documentará cada pieza del conjunto en un plano y partiendo de un motor tipo se harán propuestas de diseño de todos los elementos. Pero ante todo se centrará la atención en el cigüeñal. El cigüeñal es el componente elegido para implementar la sustitución del material tradicional del que se fabrica (aleación de acero) por un material polímero o un material compuesto inyectable. La elección del cigüeñal es debida a que es el elemento del conjunto de más peso y el que tiene unas exigencias térmicas menores. De esta manera con la sustitución de la aleación de acero se conseguirá una mayor reducción de peso en el conjunto del motor y se asegurará que el nuevo material aguanta los esfuerzos a la temperatura de trabajo, ya que el principal problema del cambio de material es que los polímeros tienen una temperatura de fusión mucho menor que las aleaciones de acero, en torno a unos 100-300 oC comparados con los en torno a 1500 oC de la aleaciones de acero.

1.1. Estado del arte

Para poder realizar un correcto análisis de las partes del motor y poder elegir la manera en que se va a proceder en el proyecto es necesario tener una visión de la evolución de la técnica en el mundo de los motores desde sus inicios hasta las investigaciones que se están llevando a cabo a día de hoy. Éste es el propósito de este apartado, contextualizar cómo se han ido desarrollando los motores a lo largo de la historia hasta llegar a las líneas de investigación que se están siguiendo en la actualidad. Se partirá de una visión general acerca del origen de los motores para ir concretizando en el campo de interés en este proyecto: la innovación en materiales y como se han ido introduciendo estos en el diseño tradicional del motor.

1.1.1. Antecedentes históricos El motor de combustión interna surge como sustituto de los motores de vapor de la época.

Estos eran demasiado grandes e ineficientes y su manipulación resultaba peligrosa. Distintos ingenieros empezaron a estudiar las alternativas que ofrecía el almacenar una sustancia inflamable dentro de una cámara cerrada y provocar con ayuda de una chispa la reacción química exotérmica que convirtiese la energía potencial química de la sustancia en energía mecánica al mover la


explosión una de las paredes de la cámara de combustión, el pistón(Figura 2. Explosión de sustancia inflamable en la cámara de combustión.).

Figura 2. Explosión de sustancia inflamable en la cámara de combustión.

Cada inventor fue probando con distintas sustancias inflamables. En el siglo XVII , el inventor Christiaan Huygens ( Holanda, 1629 – 1695) estudió el comportamiento de la pólvora como sustancia inflamable dentro de la cámara de combustión. Tras múltiples pruebas abandonó el estudio debido a la peligrosidad de la violenta explosión de la polvora. Más tarde, en plena revolución industrial, el ingeniero francés Philippe Lebon ( Francia, 1767- 1804) hizo estudios con gas inflamable procedente de la destilación de la madera. Estos estudios resultaron satisfactorios puesto que se podía controlar con relativa facilidad la explosión del gas dentro del cilindro. Pero sus investigaciones no tuvieron mucho impacto ya que en ese periodo dominaba la máquina de vapor.

El primer motor de explosión patentado del que se tiene constancia es el inventado por los italianos Eugenio Barsanti, sacerdote e ingeniero, y Felice Mateucci , ingeniero, en 1857(Figura 3). Este motor obtenía la energía de una explosión controlada de una mezcla de aire atmosférico y gas inflamable. Su invención tuvo gran repercusión, lo que motivó a los autores a empezar la fabricación en serie del motor para venderlo por toda Europa. De esta forma apareció el primer motor fabricado en serie de la historia. Con la muerte de Barsanti y Mateucci su patente fue copiada por otros fabricantes dando lugar a la aparición de nuevas compañías dedicadas a la investigación y fabricación de motores. Estos motores estaban diseñados para un uso estacionario. Servían como sustitutos de las máquinas de vapor en aplicaciones industriales y marítimas.

Figura 3. Motor de Barsanti y Mateucci, el primer motor fabricado en serie. Imagen cortesía del museo nacional de la ciencia y la tecnología Leonardo da Vinci, Italia.


El primer motor de explosión “móvil” fue ideado por el ingeniero belga Étienne Lenoir (Bélgica, 1822 – 1900). Lenoir ideó un motor de doble acción alimentado por gas de alumbrado (gas de alquitrán) y con encendido por chispa con un aparato eléctrico de inducción. En 1860 lo incorporó a un carro de tres ruedas dotándolo de movimiento autónomo, sin necesidad de ningún animal que tirase de él como se venía haciendo (Figura 4). Con él recorrió 10 kilómetros en 3 horas, demostrando que su invento funcionaba pero también que el rendimiento del motor era muy bajo. Se trataba de un motor de 0,7 kW que junto con el carro en el que iba montado pesaba 4 toneladas. El motor era prácticamente en su totalidad de acero, a lo que debía su gran peso. Lenoir mostró una nueva aplicación para los motores de combustión interna y un nuevo mundo de posibilidades.

Figura 4. Motor de gas inventado por Étienne Lenoir y vehículo en el que lo incorporó. Fuente: Autofoundry.com

El invento de Lenoir llamo mucho la atención de Nikolaus August Otto (1832-1891), un hombre de negocios alemán que se reconvirtió en ingeniero al ver las posibilidades que ofrecía la fabricación de motores. En 1864 se asocia con Eugene Langen y juntos fundan la empresa Otto & cie. que más tarde cambiará su nombre a Deutz Gas-motoren Fabrik AG. La empresa fabricaba motores de gas con un diseño muy parecido al de Lenoir pero mejorando muchos aspectos que le conferían mejor rendimiento y los comercializaban por toda Europa. En 1876 estableció los principios del ciclo que siguen los motores de cuatro tiempos basándose en los estudios publicados por el ingeniero francés Alphonse Beau de Rochas. A partir de entonces Otto empezó a construir motores basados en el ciclo Otto o ciclo a volumen constante. Estos motores se hicieron muy famosos en todo el mundo y serían la base de los motores que moverían automóviles, barcos y aeronaves más adelante. Un acontecimiento de gran importancia fue la incorporación a la compañía, en 1872, del ingeniero alemán Gottlieb Daimler, quien a la postre se convertiría en el padre del automóvil.

Gracias a la estrecha colaboración con Otto, Daimler aprendió mucho acerca de los motores de combustión interna y rápidamente empezó a investigar en formas de mejorar su rendimiento haciéndoles girar a altas revoluciones para poder construir con ellos vehículos autopropulsados. Debido a sus discrepancias con Otto, quien no le apoyo en sus ideas, abandonó la compañía. En 1882 decidió montar su propia empresa junto a Wilhelm Maybach. Juntos consiguieron llevar el motor de combustión de Otto un paso más adelante. Las ideas de estos dos ingenieros se resumían en que podían aumentar la potencia entregada por un motor si aumentaban su régimen de giro, disminuían su peso, optimizaban su sistema de encendido y encontraban un combustible con una explosión eficiente. En 1885 crearon el primer motor de combustión interna que usaba gasolina como


combustible. La forma en que inyectaban el combustible al motor también era revolucionaria. Inventaron el carburador, un elemento en el que se mezclaba la gasolina y el aire atmosférico para después inyectarse en la cámara de combustión. Con todas esas innovaciones consiguieron construir un motor monocilindrico de alta velocidad de 462 cc y 1,1 cv capaz de girar a 900 rpm de reducidas dimensiones comparado con los fabricados por Otto ( tan solo pesaba 70 Kg) . Daimler pensó que podía acoplar este motor a una bicicleta para propulsarla de forma autónoma. De esta forma surgió, en 1885, la primera motocicleta de la historia, llamada Daimler Reitwagen Einspur “ Vehículo para montar de una sola pista de Daimler” (Figura 5).

Figura 5. Daimler Reitwagen Einspur, la primera motocicleta de la historia.

Se dice que la idea primera de Daimler era crear un automóvil de cuatro ruedas pero que una serie de circunstancias le llevaron a crear la primera motocicleta. Adaptar la bicicleta para que pudiese mantenerse en equilibrio en marcha con el motor a cuestas le llevó un año, tiempo que aprovecho su principal competidor para presentar el primer automóvil. El creador del primer automóvil fue otro ingeniero alemán cuyo taller estaba ubicado a 170 metros del de Daimler: Karl Benz. Karl Benz ( 1844 - 1929)es considerado el inventor del primer automóvil. En 1885 construyo el primer automóvil propulsado por un motor de combustión interna de la historia, El Motor-Patent Motorwagen (Figura 6 ). Este automóvil consistía en un triciclo al que se le había acoplado un motor monocilíndrico de 958 cc y 0,75 cv.

Figura 6. Triciclo Benz Motor-Patent Motorwagen, considerado el primer automóvil de la historia. Cortesía de Daimler.com


El motor que Benz instaló en el Patent Motorwagen era lo suficientemente eficiente como para mover en vehículo a unos 14 Km/h. Para aquel entonces el rendimiento bastaba para esa utilidad pero quedaba mucho camino hasta sacar toda la potencia que un motor podía otorgar. El elevado peso de estos primeros motores, el sistema de alimentación del combustible, el hecho de que eran monocilíndricos eran factores que limitaban mucho el rendimiento. Una vez se empezó a dominar la fabricación de los motores se empezó a centrar la atención en cómo mejorar sus propiedades mecánicas. [1]

Un descubrimiento muy importante para el mundo de los motores fue la obtención del aluminio por electrólisis. Una de las razones por la que los motores se construían de acero era por la disponibilidad de este material y por su relativamente bajo precio. El aluminio entonces era muy caro puesto que su proceso de obtención era difícil y costoso. El aluminio se obtiene de un mineral conocido como bauxita y su separación se hacía mediante un proceso casi artesanal. Pero en el año 1886, el francés Paul Héroult y el norteamericano Charles Martin Hall patentaron independientemente un proceso de extracción del aluminio de la bauxita mediante electrólisis, un proceso que conseguía obtener aluminio puro separando el oxígeno y el aluminio que forman el compuesto de la alúmina. Gracias a este proceso los costes de obtención se redujeron en gran medida con lo que se empezó a utilizar el aluminio con fines industriales. También se introdujo en la fabricación de motores debido a su baja densidad con respecto al acero y sus grandes propiedades mecánicas y térmicas. En 1911, la empresa Hispano-Suiza, de origen español, comenzó a fabricar pistones de aluminio y a montarlos en sus motores. Las mejoras en cuanto a ligereza del motor fueron notables pero el uso de aluminio puro presentaba ciertos problemas al estar en contacto con altas temperaturas. Las altas temperaturas que se desarrollan en la cámara de combustión (unos 500o C ) dilataban el aluminio hasta el punto de entrar en contacto con las paredes del cilindro y gripar el motor. Esto es debido a que el coeficiente de dilatación del aluminio es unas tres veces mayor que el del acero de fundición. Este motivo frenó la intención de los constructores de sustituir definitivamente el acero de los cilindros por aluminio aunque por poco tiempo. En 1930 empezaron a aparecer aleaciones ligeras de aluminio que conseguían reducir el coeficiente de dilatación del aluminio hasta niveles similares al del acero a la vez que mejoraban su mecanización y el aluminio empezó a sustituir al acero en cada vez más elementos constructivos del motor, desde el pistón, el bloque motor a la biela en algunos casos. Con este cambio los motores redujeron en gran medida su peso y aumentaron su rendimiento. Este es un gran ejemplo del objetivo del proyecto.

Muchas otras innovaciones mejoraron el rendimiento de los motores en esos años. La incorporación de más cilindros y su posterior disposición en V aumentó la potencia de los motores y distribuyó mejor los esfuerzos, reduciendo las vibraciones. La optimización de los sistemas de alimentación de combustible mejoró la extracción de energía del combustible. Los primeros dispositivos montados en los motores consistían en una especie de grifo, llamado cebador, que introducía el combustible en el cilindro por gravedad. Más tarde se pasó al uso de los carburadores, donde se hacía las mezcla de aire y combustible previa que luego se inyectaba al cilindro pulverizada. El carburador se utilizó de forma generalizada hasta los años ochenta. A partir de ahí empezaron a tomar fuerza los sistemas de inyección indirecta, que consistían en inyectar el combustible atomizado con ayuda de un inyector electrónico en una cámara previa a la cámara de combustión, llamada colector de admisión. Esta cámara está conectada a la de combustión y el paso de combustible de una a otra se regula por medio de una válvula. La aparición de los nuevos métodos de inyección dio pie a que las


investigaciones en el campo de los motores se enfocasen a mejorar la integración de estos, dejando de lado la investigación de nuevos materiales y su aplicación. Con el avance de la electrónica y su introducción en el mundo de los motores, la inyección directa empezó a tomar fuerza en el año 2000, gracias a que con los controladores electrónicos se podía realizar un control preciso del dosado en cada momento y optimizar así el gasto de combustible.

La introducción de sistemas electrónicos en los motores ha mejorado mucho su rendimiento. Pero en la actualidad se está llegando a un punto muerto donde la electrónica ya no puede mejorar el rendimiento de los motores actuales. Por esta razón se está empezando a retomar la línea de investigación del uso de nuevos materiales en la construcción de los motores que mejoren sus características.

1.1.2. Líneas de investigación actuales Las investigaciones llevadas a cabo en la actualidad en el sector de los motores de combustión

interna se centran en mejorar el rendimiento de los motores. Diversas técnica son las empleadas para conseguirlo. Una de ellas es el rediseño de la distribución tradicional de los elementos del motor. En este campo cabe destacar la labor de Ford y su motor EcoBoost 1.0 (Figura 7) , que desde su invención han revolucionado el sector de los motores de gasolina en el mundo de la automoción. El motor EcoBoost 1.0 monta un número impar de cilindros; 3 cilindros en línea en vez de los cuatro que montan su motores de su segmento. Montar un número impar de cilindros presupone un aumento de la vibración y del ruido, pero Ford ha conseguido resolver dichos problemas replanteando la disposición del cigüeñal y el volante de inercia. En vez de montar un cigüeñal equilibrado, se han desequilibrado a propósito tanto el cigüeñal como el volante de inercia y la polea de distribución para compensar los desequilibrios de los impulsos de los tres pistones. Así se consigue un motor con un giro equilibrado, sin aumento de vibraciones ni ruidos, sin necesidad de añadir piezas nuevas solo con un replanteamiento de los elementos existentes. La mejora de rendimiento se fundamenta en que al tener tres cilindros su consumo se ve reducido en cuanto a los motores de cuatro cilindros con lo que se reducen las emisiones de CO2 y se reduce su tamaño, y en consecuencia su peso (de tan solo 97 Kg). Todas estas mejoras en un motor que es capaz de entregar la misma potencia que sus compañeros de sector (100 cv) siendo un motor de 1000cc. Además entrega mayor par, 170Nm comparados con los 150 Nm del mismo motor Ford de cuatro cilindros y gracias a su reducción de peso consigue trabajar a más revoluciones, lo que aumenta su eficiencia. Esta gran entrega de potencia también es debida a una mejora del sistema del turbo. El motor Ford EcoBoost 1.0 es un gran ejemplo de cómo se pueden conseguir motores más eficientes con tan solo replantearse la concepción tradicional de los motores [2].

Figura 7. Motor Ford EcoBoost 1.0 . Cortesía de xataca.com


Si todas las mejoras anteriormente citadas se consiguen sin modificar la construcción de los elementos constitutivos del motor, si se piensa en introducir nuevos materiales que sustituyan a los tradicionales las posibilidades de mejora se disparan. Existen en la actualidad líneas de investigación que se centran en el estudio de nuevos materiales para su introducción en la construcción de motores. El uso del acero está muy asentado pues se ha construido una industria en torno a él y sus procesos de fabricación. De una pieza de acero tan solo el 15% del precio es el coste de material, el otro 85% del precio se imputa de los costes de fabricación por forja, de su mecanizado posterior, de los tratamientos térmicos que necesite y demás. Y el gran problema es que hay una gran industria que depende de la fabricación de piezas de acero. En cambio en la actualidad se han descubierto materiales, como polímeros y cerámicas, que mejoran las propiedades del acero para ciertas funciones y cuyos procesos de fabricación son mucho más simples, se obtiene la pieza acabada sin necesidad de tratarla a posteriori. Los mayores avances en la investigación de materiales se están dando justamente en los campos mencionados anteriormente: Las cerámicas técnicas y los compuestos poliméricos avanzados.

La introducción de las cerámicas técnicas está enfocada actualmente a aumentar la eficiencia de la combustión en el cilindro. El rendimiento de una máquina térmica, como es un motor, viene dado por la temperatura a la que trabaje. A mayor temperatura mayor rendimiento termodinámico, es decir, mayor eficiencia en la extracción de la energía del combustible. La temperatura máxima que se puede alcanzar en los motores actuales está limitada por los puntos de fusión de los metales y aleaciones que componen la cámara de combustión. La aleación ligera de aluminio-silicio de la que está hecha el pistón tiene un punto de fusión en torno a los 500oC que limita a esa cifra la temperatura máxima que puede alcanzarse. Además para controlar que no se alcance dicha temperatura en necesario un sistema de refrigeración que evacúe el exceso de calor de los elementos de la cámara, con el consiguiente aumento de peso del motor al tener que acoplar el sistema de refrigeración al conjunto. Las grandes propiedades térmicas de las cerámicas las confieren unas altas temperaturas de fusión, que pueden llegar en torno a los 2000 oC. Los enlaces iónicos y covalentes que poseen las dotan de grandes propiedades mecánicas como una gran dureza y rigidez con una baja densidad. Una cámara de combustión recubierta de Alúmina ( Al2O3) (Figura 8) haría que esta tuviese un comportamiento adiabático (las cerámicas son grandes aislantes térmicos). La temperatura podría alcanzar los 2000 oC sin dañar ningún componente y las pérdidas de energía por calor serían prácticamente nulas. Al no necesitar sistema de refrigeración alguno el peso del conjunto del motor se vería reducido en gran manera. [3]

Figura 8. Pistón y válvulas recubiertos de material cerámico


Si se pudiese construir el bloque motor entero de cerámica se conseguiría reducir el peso del bloque en cuatro veces su equivalente en acero. Esto de momento no es posible debido a la fragilidad de las cerámicas y a su alto coeficiente de fricción. Otro problema es el alto precio de fabricación de estos materiales, ya que para obtener cerámicas técnicas de altas prestaciones y sin defectos es necesario un horno de sinterización al vacío en atmósfera controlada, una tecnología costosa en la actualidad. Toyota realizó en sus laboratorios un prototipo de motor hecho totalmente de materiales cerámicos que llegó a trabajar a 3500oC alcanzando rendimientos muy elevados, pero la fragilidad de los componentes hizo inviable su perfeccionamiento. Todavía se están dando los primeros pasos en este campo pero las expectativas de futuro son muy buenas. Dentro de unos años se podría pasar de los actuales motores de rendimientos del 50% a motores con rendimientos de en torno al 80%, reduciendo en gran medida el consumo de combustible y las emisiones.

En el campo de los compuestos poliméricos se está estudiando la construcción de elementos del motor con materiales poliméricos y de esta forma reemplazar los que actualmente se fabrican de acero. Así se consigue una reducción del peso, las vibraciones y el ruido del motor gracias a las propiedades de los polímeros. Con los últimos avances se está logrando sintetizar polímeros con cada vez mejores propiedades mecánicas. Si a esto se le suma la investigación en el campo de los materiales compuestos, si a una matriz polimérica avanzada se le añaden pequeñas fibras de vidrio o carbono se consigue aumentar mucho más sus propiedades mecánicas sin encarecer su coste de fabricación, puesto que las fibras añadidas son lo suficientemente pequeñas como para que puedan inyectarse junto al polímero. Estas grandes propiedades hacen que los compuestos poliméricos empiecen a verse como sustitutos del acero en la fabricación de distintos componentes del motor. Con esto se mejoraría en gran medida el rendimiento de los motores ya que los polímeros son de media unas cinco veces más ligeros que el acero. Al aligerar el peso del conjunto del motor se necesita menos energía para mover sus distintas partes. Para un mismo tamaño de motor con sus componentes hechos de compuestos poliméricos se necesita menos potencia para moverlo. Esto se traduce en que para una misma aplicación el tamaño del motor se reduciría, y a igual tamaño de motor que uno con sus partes de acero, el hecho de materiales polímeros entregará más potencia. Con lo cual al no tener que vencer tanta inercia, la extracción de energía del combustible es mayor, la potencia aprovechable es mayor, hace falta menos combustible para realizar el mismo esfuerzo, el consumo se reduce y por tanto las emisiones también. Muchos otros aspectos del motor se ven beneficiados, no solo los relacionados con el rendimiento. Como se ha comentado, la capacidad de absorción de vibraciones de los polímeros hace los motores más silenciosos y equilibrados. A la hora del montaje, al ser las piezas de polímero más ligeras que hechas de acero, su manipulación es más cómoda y esto facilita el montaje del motor. La manipulación del conjunto del motor ya ensamblado también es más fácil. Esto interesa sobre todo en aplicaciones donde se tiene que cargar el dispositivo al que va incorporado el motor, como por ejemplo una sierra mecánica. Las ventajas desde el punto de vista económico también son importantes. El proceso de fabricación de las piezas de material polímero o de compuesto polimérico con fibras de pequeño tamaño (whiskers) más utilizado es la inyección. La inyección de polímeros es un proceso muy barato, sobre todo comparado con el proceso de fabricación de piezas de acero. La mayor parte del precio de la inyección revierte en la construcción del molde de la pieza, pero en cuanto se haga una producción media de piezas este se ve amortizado. La inyección permite la obtención de piezas de geometría compleja con un acabado perfecto. La pieza sale terminada de la máquina, no hace falta ningún tratamiento de forma posterior, al contrario que en las piezas de acero construidas por forja, por ejemplo, que necesitan


de procesos de mecanizado posterior para conseguir la forma final deseada. El proceso de inyección requiere mucha menos energía que los de conformado de acero, no emite desechos, emite bajos niveles de ruido y consigue una rugosidad superficial en las piezas excelente. Una desventaja que tienen los polímeros es que su sintetización en los compuestos más avanzados, como el PEEK (Polieteretercetona, muy utilizado en aplicaciones aeroespaciales) es costosa y eso afecta al precio final de la materia prima. Pero con la evolución de las técnicas de obtención el precio se reducirá hasta poder competir con el del acero. Otra desventaja es la limitación de temperatura a la que pueden trabajar los polímeros, en torno a 200oC de máxima. Este problema se está intentando solucionar con recubrimientos cerámicos o aditivos que aumenten su temperatura de transición vítrea.

Figura 9. Ejemplos de piezas hechas de polímeros que tradicionalmente se hacían de acero.

Como puede observarse, la inclusión de los polímeros en la fabricación de las piezas de un motor trae consigo mejoras tanto a nivel técnico como a nivel económico, razón de más como para pensar que la sustitución del acero por materiales plásticos va a ser la tendencia en los próximos años.

1.2. Enfoque del proyecto.

La gran cantidad de posibilidades que ofrecen los nuevos materiales es lo que motiva la aparición de este proyecto. El análisis de las líneas de investigación actuales muestra que la utilización de los nuevos materiales emergentes para sustituir a los tradicionales como el acero es posible en la actualidad y cogerá fuerza en los próximos años. Buscando un enfoque más económico, se ha optado por estudiar la implementación de los materiales poliméricos en la construcción del mecanismo intercambiador de energía del motor puesto que es una tecnología más avanzada. El proceso de fabricación de piezas de polímero es una técnica dominada y barata en la actualidad, al contrario que la obtención de cerámicas técnicas. Este factor ofrece la posibilidad de mejorar las características de motor a la vez que se reduce su coste de fabricación, una combinación muy interesante. Se dejará a un lado por tanto el mundo de los materiales cerámicos para centrarse en el estudio de las posibilidades de los materiales poliméricos aplicados a la construcción de un cigüeñal de un motor de dos tiempos de pequeña cilindrada.


1.3 Justificación del proyecto. Objetivos.

La idea de la aplicación de materiales polímeros en la construcción de elementos del motor surge del potencial de los nuevos polímeros que se están desarrollando. Tanto la tecnología como la técnica del mundo de los polímeros avanzan a un gran ritmo. Como ejemplo de ello están los materiales compuestos como la fibra de carbono, que de no utilizarse prácticamente nada ha pasado a estar presente de una u otra manera en prácticamente todos los rincones del sector automovilístico. Y más aún con los avances que se están haciendo con nuevos supermateriales como el grafeno, que hacen pensar en todas las posibilidades que pueden tener los materiales compuestos reforzados con los nuevos supermateriales. Claro que todo esto parece lejano e inalcanzable a corto plazo, sin embargo este proyecto busca comprobar cuál es el estado de la tecnología de los polímeros a día de hoy y si es posible que los materiales existentes puedas sustituir al acero en aplicaciones donde tradicionalmente el acero ha sido un material fijo. Pero todo esto no surge de meras aspiraciones técnicas. La sustitución del acero por un material polímero trae consigo notables ventajas. De poder sustituir todos los componentes de un motor hechos de acero por componentes hechos de materiales poliméricos, el peso del conjunto del motor podría verse reducido en un 60%. Esto se traduce en un mejor aprovechamiento de la energía extraída de la explosión del combustible, ya que mucha de ella se pierde en vencer la inercia de todos los pesados elementos de acero del motor. Por tanto a mismas dimensiones, con un motor hecho con polímeros el rendimiento aumentaría considerablemente. Otro aspecto muy interesante de los polímeros es su proceso de conformado. Cierto es que el material base es unas tres veces más caro que el acero. La acusada diferencia de precio se debe a que el acero se extrae en su composición final de la tierra, pero los polímeros necesitan ser sintetizados en laboratorios. Esta diferencia pasa a ser una mera anécdota cuando se observa el coste de fabricación de una pieza con un material polímero en comparación con una pieza de acero. Los gastos de maquinaria necesarios para obtener una pieza final de acero son el principal motivo del elevado precio final. Para conformar el acero es necesaria gran cantidad de energía, además de múltiples máquinas como prensas de forja, tornos de control numérico, fresadoras y rectificadoras. El conformado de materiales polímeros es mucho más sencillo. El proceso de inyección de plásticos es el principal proceso de conformado de los termoplásticos. Una vez se da forma al material con ayuda de un molde, la pieza sale totalmente acabada, sin necesidad de tratamientos posteriores. El gasto en energía se reduce notablemente, así como el tiempo final de obtención de la pieza y los gastos en personal. Un motor de componentes poliméricos puede llegar a costar la mitad que uno tradicional. Por supuesto que no se pretende rediseñar el motor entero para confeccionarlo con componentes poliméricos. El proyecto trata de analizar esta tecnología tomando como ejemplo el cigüeñal del motor. Como inciso cabe destacar que el proceso de inyección de plásticos permite obtener formas complejas que sería muy difícil conseguir mediante torneado en una pieza de acero. Este factor permite rediseñar la forma del cigüeñal eliminando las limitaciones que imponían los procesos de conformado del acero. Permite obtener cigüeñales con un diseño optimizado para resistir todas las tensiones a las que va a ser sometido durante más tiempo, prolongando la vida de la pieza. Si bien todo parecen ventajas, habrá que hacer un estudio de los polímeros candidatos a sustituir al acero pues las condiciones de trabajo de un cigüeñal son muy exigentes y de antemano no se sabe si algún polímero podrá aguantarlas.


El proyecto busca ser el punto de partida de la implementación de la tecnología de los plásticos en los elementos constitutivos del tren alternativo de un motor de pequeña cilindrada. Si la implementación resulta satisfactoria, puede extenderse su aplicación motores para el abastecimiento de pequeños grupos electrógenos, motores para bombas, motosierras y máquinas cortacésped, etc.

Respecto a las metas concretas que se propone este proyecto, los objetivos de este proyecto son:

- Estudiar el diseño y las condiciones de funcionamiento que caracterizan a un motor de motocicleta monocilíndrico de 50 cc aproximadamente. Extraer los datos necesarios para poder hacer un estudio de este por elementos finitos.

- Encontrar un material que resista los esfuerzos y temperaturas que se dan en el motor y redimensionar el cigüeñal del motor con el nuevo material de forma que pueda ser implantado en el motor mejorando las prestaciones del material sustituido.

- Analizar los procesos de conformado de piezas con ese material y elegir el óptimo que reduzca los costes de producción de esa pieza y que además pueda implementarse en una cadena de montaje de motores.

- Optimizar el diseño del cigüeñal aprovechando las ventajas que ofrecen los nuevos procesos de conformado (inyección) del nuevo material polímero elegido en la consecución de formas complejas.

- Comprobar que el nuevo motor incrementa ciertas propiedades mecánicas y funcionales con respecto a los motores tradicionales. Puesto que es un proyecto clásico este análisis no entrará en términos de investigación.

- Estudiar la rentabilidad de la fabricación y venta de este tipo de motores.

Capítulo 2. Análisis y diseño del motor original. 21

Capítulo 2.

Análisis y diseño del motor original.

El motor sobre el que se va a trabajar es un motor monocilíndrico de dos tiempos y de pequeña cilindrada (50 c.c. aproximadamente). Los motivos de la elección de este motor, como bien se expusieron por encima en el capítulo 1, son la variedad de aplicaciones en las que se usa y el hecho de que al ser de pequeña cilindrada los esfuerzos que soporta son menores debido tanto a la menor cantidad de energía extraída de la quema de combustible que en cilindradas mayores como a que los elementos del motor son de menor tamaño con lo que sus masas y por ende sus inercias se ven reducidas.

El diseño de partida de motor es sencillo, sin cambios en la geometría de los elementos para aligerar su peso ni otro tipo de modificaciones que realizan los fabricantes para mejorar sus prestaciones. Los elementos del motor que se diseñarán para tener un conjunto del que partir serán el pistón, la biela y el cigüeñal. Estos elementos se diseñarán desde cero con ayuda del programa AutoCad, con el que se construirán los planos de cada elemento. Una vez se tengan los planos de cada elemento se exportarán al programa SolidWorks donde a partir de ellos se construirán modelos en 3D de cada elemento. Se ensamblará el conjunto en el mismo programa y se procederá a simular el elemento que es objetivo del proyecto: el cigüeñal. Con los resultados obtenidos de la simulación se estudiarán los esfuerzos a los que es sometido el cigüeñal: cuál es la tensión máxima que soporta, que secciones son las que más sufren, etc. Con todos estos datos analizados se pasara al estudio de los materiales poliméricos candidatos a construir el nuevo cigüeñal, que se desarrollará en el capítulo 3.

Antes de entrar a diseñar los elementos del motor es necesario conocer el funcionamiento de un motor de dos tiempos, así como sus parámetros fundamentales de diseño y los valores de las variables que van a determinar los esfuerzos a los que se va a ver sometido. Todos estos factores se valoran en el apartado siguiente.

2.1. Estudio del funcionamiento de un motor de 2 tiempos.

El motor de dos tiempos recibe ese nombre por los dos tiempos que tarda en completar un ciclo de trabajo. Se llama tiempo a cada carrera del pistón, ya sea ascendente o descendente. Por lo tanto, en un motor de dos tiempos (2T) el cigüeñal completa una vuelta con tan solo dos movimientos del pistón. A diferencia del motor 2T, en un motor de cuatro tiempos (4T) el pistón completa cuatro carreras (dos vueltas del cigüeñal) en un ciclo de trabajo. Cada carrera en un motor


4T corresponde con un proceso del ciclo termodinámico del motor. Así, a la primera carrera (descendente) del pistón le corresponde el proceso de admisión, en el cual el combustible se introduce en la cámara de combustión. A la segunda carrera (ascendente) le corresponde el proceso de compresión, donde la mezcla de aire y combustible es presurizada al reducirse el tamaño de la cámara de combustión. A la tercera carrera (descendente) le corresponde el proceso de combustión-expansión de la mezcla y a la cuarta (ascendente) el de escape de los gases producidos por la quema del combustible (Figura 10).

Figura 10. Procesos (tiempos) del ciclo de trabajo de un motor de cuatro tiempos (4T). Cortesía de makingdifferent.com

En un motor 2T, al solo haber dos carreras del pistón disponibles, los procesos se tienen que dar por parejas y en un periodo más corto de tiempo. Al primer tiempo o carrera ascendente le corresponderán los procesos de admisión y compresión, y al segundo tiempo o carrera descendente los de combustión-expansión y escape. Esta es la gran diferencia entre los motores de 2T y 4T. Al unificar las cuatro fases del ciclo termodinámico en dos carreras se consigue que el ciclo de trabajo coincida con una vuelta completa del cigüeñal, en vez de con dos vueltas como sucede en los motores 4T. Por lo tanto para una misma cilindrada y un mismo número de revoluciones por minuto del motor, en un motor 2T se producen el doble de explosiones que en un 4T. Esto debería traducirse en que los motores 2T entregasen el doble de potencia, pero en la práctica no es así. Esa pérdida de potencia es debida a que al unir de dos en dos las fases del ciclo termodinámico se dispone de poco tiempo para ejecutarlas. La configuración de un motor 2T hace que el barrido de gases quemados por los gases frescos sea ineficiente, y esto hace caer el rendimiento volumétrico de este tipo de motores, que no supera el 70% comparado con el 90% de los motores 4T. El barrido hace que los motores 2T sean eficientes a altas revoluciones, pero a bajas revoluciones este es defectuoso. El hecho de que en un motor 2T se produzcan el doble de explosiones por minuto que en un 4t influye obviamente en el consumo de combustible, un 2T gasta más combustible que un 4T de su misma cilindrada.

Merece especial mención la manera de introducir la mezcla de aire y combustible en la cámara de combustión en los motores 2T. El sistema de alimentación es clave para conseguir condensar las cuatro fases del ciclo en dos tiempos. Está compuesto de tres conductos principales: el conducto o


lumbrera de admisión, la lumbrera de transferencia y la lumbrera de escape. En el primer tiempo del motor, la carrera ascendente del pistón crea una depresión en el cárter del motor, aspirando la mezcla de aire y combustible previamente realizada en el carburador por la lumbrera de admisión. Durante la carrera ascendente del pistón la lumbrera de admisión está abierta permitiendo que el cárter se llene de combustible mientras que comprime la mezcla de la cámara de combustión. Después de la explosión comienza la carrera descendente del cilindro obstruyendo la lumbrera de admisión de mezcla al cárter y comprimiendo la mezcla que ya se encuentra en él. El giro del cigüeñal se encarga también de comprimir la mezcla y dirigirla a la lumbrera de transferencia. Esta función del cigüeñal en los motores de dos tiempos es fundamental para su diseño, puesto que cuanto más espacio libre (espacio nocivo) se deje en el cárter, menor capacidad de succión y bombeo tendrá el conjunto cigüeñal-pistón y menor será el rendimiento volumétrico del motor. Cuando el pistón llega a su punto muerto inferior se abre la lumbrera de transferencia que conecta el cárter con la cámara de combustión. La lumbrera de escape también queda abierta posibilitando que la mezcla fresca que se introduce barra el gas residual producido por la combustión hacia la lumbrera de escape. Es en este momento cuando se puede producir un escape de los gases frescos por el conducto de escape, hecho que disminuye el rendimiento del motor. Con esta sencilla distribución de conductos se consigue condensar las fases del ciclo hasta hacerlas coincidir con una vuelta del cigüeñal (Figura 12).

Figura 11. Partes de un motor de dos tiempos (2T)


Figura 12. Procesos del ciclo de dos tiempos.

La simplicidad de construcción de un motor 2T hace que no requiera de sistema de lubricación, el aceite se añade directamente al combustible, lo que significa que a la hora de la combustión el aceite también será quemado. Este hecho provoca que el combustible no se queme de manera total y que aparezcan compuestos producto de la combustión de alto nivel contaminante. Aunque tenga ciertos inconvenientes, es esa simplicidad de diseño la que hace que sus costes de fabricación sean muy bajos, al no necesitar por ejemplo sistemas auxiliares de lubricación ni sistema de distribución que active las válvulas de paso combustible. Al reducir el número de piezas móviles su mantenimiento se simplifica. La culata, por ejemplo, solo consta del orificio en el que se coloca la bujía con lo que su desmantelado es mucho más simple que el de un motor de 4T, en el que la culata alberga el árbol de levas, las válvulas y demás elementos. El cárter también es sencillo pues no debe albergar el aceite de lubricación pero sí tiene que estar bien sellado para evitar fugas. Como se puede observar en la Figura 11, la cabeza del cilindro posee unas aletas exteriores que aumentan la superficie de transferencia de calor, permitiendo que el cilindro se refrigere por medio del aire que circula entre ellas. Así se ahorra la instalación de un sistema de refrigeración, aunque algunos motores 2T de mayor cilindrada si llevan incorporados sistemas de refrigeración por agua. Es por todo esto que los motores 2T son utilizados para aplicaciones que requieran pequeñas cilindradas, puesto que aunque no son todo lo eficientes que se desearía, entregan potencia suficiente como para ser rentables a estos niveles, no como los motores 4T. Todo lo dicho anteriormente se refiere a motores de dos tiempos que siguen el ciclo Otto.

Para poder diseñar los elementos de un motor hay que entender bien el ciclo termodinámico en que se basa su funcionamiento. El estudio de este ciclo aportará los datos de temperatura y presión en cada fase del ciclo, pudiendo diseñar cada elemento según las solicitaciones a las que el ciclo le someta. Existen principalmente dos tipos de ciclos por los que se rigen los motores actuales: el ciclo Otto y el ciclo Diésel. El ciclo que sigue el motor de este proyecto es el Otto, y será por tanto en el


que se centrará la atención. Pero antes de centrarnos en él es necesario saber las diferencias entre ambos.

El ciclo Diésel teórico se caracteriza porque la introducción de calor en el ciclo se produce a presión constante. Nótese que se ha referido al ciclo como ciclo teórico puesto que el ciclo real de un motor solo puede obtenerse mediante experimentación. Para el diseño de un motor se acude al estudio del ciclo teórico. En este ciclo se tiende a idealizar las fases del ciclo del trabajo del motor para poder corresponderlas con las fases del ciclo termodinámico, acción que puede llevar a equívoco. La correspondencia es una aproximación con la única función de poder explicar de forma más clara el ciclo termodinámico.

Fases del ciclo Diésel (diagrama P-V):

1-2. Compresión. Esta línea térmica simboliza la compresión adiabática previa del aire que se realiza en el compresor de los motores diésel más la propia compresión del pistón. Esta compresión eleva mucho la presión y la temperatura del aire.

2-3. Combustión. Proceso de aporte de calor en condiciones isóbaras. Representa la inyección de combustible y su posterior combustión debido a las altas temperaturas del aire comprimido. Se hacen muchas simplificaciones en este proceso ya que el combustible no se incendia inmediatamente ni lo hace a presión constante, pues el pistón empieza a retroceder antes de que todo el combustible se haya quemado.

Figura 13. Diagrama P-V de los ciclos de aire Diésel teórico

y real.

4-1. Proceso isocórico de retorno a la presión inicial. Es un proceso ficticio incluido para cerrar el ciclo. Podría corresponderse con la fase de escape, por el hecho de que los gases calientes producto de la combustión son expulsados al exterior.

Los motores que funcionan según el ciclo Diésel se llaman también motores de encendido por compresión (MEC) debido a la forma en que se realiza la combustión, explicada en la fase 2-3. Estos motores utilizan gasóleo como combustible y sus relaciones de compresión son mayores que los de ciclo Otto.

1

2 3

4

Qaportado

Qextraído

3-4. Expansión. Proceso adiabático de perdida de presión después de la combustión de los gases. Representa la carrera del pistón desde el punto muerto superior al punto muerto inferior. La cámara de combustión aumenta de volumen y pierde presión. Es la única fase del ciclo donde se extrae trabajo útil.


Una vez descrito brevemente el ciclo Diésel y sus características, se pasa al análisis del ciclo Otto. Se procederá a describir el ciclo y se particularizará para el motor que se quiere diseñar, calculando las variables de presión, volumen y temperatura necesarias para obtener los parámetros fundamentales.

El ciclo Otto es el ciclo termodinámico que siguen los motores de encendido provocado (MEP). En estos motores se utiliza como combustible un hidrocarburo ligero de elevado poder calorífico, como es la gasolina, que es comprimido por el pistón en la cámara de combustión e incendiado por una chispa intencionada generada por la bujía. La chispa se provoca cuando el pistón está en su punto muerto superior, por tanto el aporte de calor al ciclo se realiza a volumen constante.

Figura 14. Comparación diagrama P-V ciclo Otto real y teórico de aire de un MEP de cuatro tiempos (izquierda). Ciclo Otto real de un motor de dos tiempos (derecha). Cortesía de demoto.net

Fases del ciclo Otto (diagrama P-V):

1-2. Compresión. La línea térmica de 1 a 2 simboliza la compresión teóricamente adiabática e isentrópica que ocurre al desplazarse el pistón desde el punto muerto inferior al punto muerto superior. Se eleva la presión gracias al trabajo hecho por el pistón. Las fórmulas que rigen esta transformación son:

2-3. Combustión. Representa la introducción de calor por parte de la bujía en forma de chispa. Se considera que la combustión es teóricamente instantánea y se produce a volumen constante cuando el pistón se encuentra en el punto muerto superior. Esta fase responde a las relaciones:

3-4. Expansión. Después de la combustión instantánea tiene lugar el retroceso del pistón al punto muerto inferior debido a la fuerza producida en la explosión. El volumen de la cámara de combustión aumenta, se produce una expansión teóricamente adiabática en la que el fluido aporta trabajo al sistema. Las relaciones entre variables para esta fase son:

4-1. Fase de sustracción de calor a volumen constante. Esta fase se introduce para poder cerrar el ciclo. Este fenómeno tiene lugar realmente en la fase de escape, que sería de 1 a 0, pero como

1

2

3

4

0

Qaportado

Qextraído


también existe una fase de aspiración representada por el camino 0-1 se considera que los efectos de ambos procesos se anulan mutuamente, sin ganancia ni pérdida de trabajo. De esta manera se considera que el fluido después de la expansión vuelve al estado inicial tras expulsar calor, cerrando así el ciclo.

El parámetro fundamental que se debe conocer del ciclo es su rendimiento. El rendimiento del ciclo representa el rendimiento térmico ideal del motor. El rendimiento térmico ideal expresa la relación entre el calor aportado al ciclo y la cantidad de ese calor que se convierte en trabajo útil. Por lo tanto el rendimiento será:

𝜼𝑻 = 𝑾ú𝒕𝒊𝒍

𝑸𝒂𝒑𝒐𝒓𝒕𝒂𝒅𝒐

El calor se aporta al ciclo en la fase 2-3 a volumen constante, el trabajo durante el aporte de calor es nulo. Por la ecuación del equilibrio de energías, el calor aportado será igual a la variación de energía interna del fluido. Al tratarse de un ciclo ideal de aire, el fluido es gas perfecto, y por tanto su variación de entalpía puede expresarse en función de su calor específico por la variación de temperatura, quedando:

𝑸𝒂𝒑𝒐𝒓𝒕𝒂𝒅𝒐 = 𝑼𝟑 − 𝑼𝟐 = 𝒄𝒗 · (𝑻𝟑 − 𝑻𝟐)

El rendimiento térmico también puede expresarse en función de las relaciones de variables presión, volumen y temperatura para cada fase del ciclo, dando como resultado:

𝜼𝑻 = 𝟏 − � 𝑽𝟐𝑽𝟏

�𝜸−𝟏

La demostración completa de esta fórmula puede encontrarse en la referencia bibliográfica correspondiente. [4]

Un parámetro importante en todo motor de combustión es la relación de compresión volumétrica (r), que es la relación entre los volúmenes de la cámara de combustión al inicio y al final de la carrera de compresión y que se define como:

𝒓 = 𝑽𝟏𝑽𝟐

Sustituyendo esta relación en la ecuación del rendimiento queda:

𝜼𝑻 = 𝟏 − � 𝟏𝒓 �𝜸−𝟏

Estas son las definiciones fundamentales que van a ser necesarias para calcular los parámetros del ciclo. Con ellas se podrá calcular la presión máxima teórica del ciclo, necesaria para analizar por elementos finitos el cigüeñal y obtener los esfuerzos máximos que soporta. Pero para poder resolver el ciclo antes hay que hacer unas cuantas suposiciones referidas al diseño del motor.


2.2. Diseño del tren alternativo del motor. En este apartado se procederá a diseñar todos los parámetros relacionados con el tren alternativo del motor. Todos los valores típicos de diseño se han obtenido de lo propuesto por el profesor John B. Heywood [5] .Lo primero será decidir los parámetros geométricos de este. Los parámetros necesarios para definir la geometría del tren alternativo son los mostrados en la Figura 15.

Figura 15. Geometría del tren alternativo del motor.

Los valores típicos de estos parámetros para motores de dos tiempos de pequeña cilindrada son R BS = 0.8 - 1.2 y R = 3 - 4. Como se está diseñando un motor de una cilindrada de 50c.c. aproximadamente, lo primero es fijar los parámetros que intervienen en la cilindrada. La cilindrada se calcula como el área de la sección transversal del pistón por la carrera. El área depende del diámetro, luego lo primero es fijar el diámetro. Se considera que un diámetro de 39 milímetros es adecuado para el pistón. Se opta por una configuración cuadrada del pistón, con lo que su altura también será de 39 milímetros. Para definir la carrera del pistón hay que tener en cuenta que esta está relacionada con la manivela a del siguiente modo: L=2a. Se decide fijar el valor de la manivela a 22 milímetros. En consecuencia la carrera valdrá 44 milímetros. Estos datos elegidos dan una cilindrada de:

𝑽𝒅 =𝝅 · 𝑩𝟐

𝟒· 𝑳 =

𝝅 · 𝟑,𝟗𝟐

𝟒· 𝟒,𝟒 = 𝟓𝟐,𝟓𝟔 𝒄. 𝒄.

• Vc = Volumen muerto

• Vd = Volumen desplazado

• B = Diámetro

• PMS = Punto muerto superior

• PMI = Punto muerto inferior

• L = Carrera

• l = Longitud de la biela

• a = Manivela

• ϴ = Angulo del cigüeñal

• 𝑅𝐵𝐵 = 𝐵𝐿

•𝑅 = 𝑙𝑎


A continuación se fijan los demás parámetros que faltan tal que entren dentro de los límites de los valores típicos. Los valores elegidos se recogen en la Tabla 1.

B (mm) a (mm) L (mm) Vd (cm3) Vc (cm3) l (mm) R BS R

Valores elegidos 39 22 44 52,56 8,76 82 0,886 3,727 Valores típicos motores 2T pequeña cilindrada - - - 50 - - 0,8-1,2 3,0-4,0

Tabla 1. Valores de los parámetros geométricos del motor comparados con los valores típicos.

2.2.1. Modelado de los componentes del tren alternativo. Los valores indicados en la Tabla 1 serán la base sobre la cual se diseñaran las demás

dimensiones de los componentes del tren alternativo en AutoCad. Los diseños finales de los componentes del motor pueden consultarse en el DOCUMENTO II: PLANOS. Los elementos a diseñar son el pistón, la biela y el cigüeñal. Después de establecer las medidas restantes necesarias para dar forma a estos elementos, la correcta expresión gráfica del diseño, su acotación y la elección de tolerancias necesarias para que cada elemento desempeñe su función sin problemas (todo ello hecho en AutoCad), se pasa a modelar los diseños en tres dimensiones exportando los planos de diseño en dos dimensiones al programa Solid Edge. En él se modelará cada elemento para después ensamblar el conjunto del tren alternativo. A continuación se muestra el modelado de cada elemento en tres dimensiones.

• Pistón: pieza cilíndrica cuyas funciones son regular la apertura y cierre de las lumbreras durante su movimiento alternativo, precomprimir la mezcla en el cárter antes de ser inyectados en la cámara de combustión y comprimir la mezcla en su carrera ascendente en la cámara de combustión. El pistón está sometido a las altas temperaturas y a grandes fuerzas de empuje resultantes de la explosión del combustible. En necesario que resista estas solicitaciones y que además sea ligero y con un buen coeficiente de transmisión de calor. El material utilizado para su fabricación es una aleación ligera de aluminio-silicio. Se selecciona un aluminio de la serie 4032 .El cilindro diseñado se muestra en la Figura 16.

Figura 16. Vista isométrica (izquierda) e inferior (derecha) del pistón diseñado en SolidEdge.


El movimiento alternativo del pistón dentro del cilindro requiere que sus dimensiones sean muy precisas y que se controle con precisión su dilatación para evitar fricciones que acaben gripando el motor.

• Biela: es el elemento encargado de convertir el movimiento lineal del pistón en un movimiento circular que transmite al cigüeñal. En Los motores de dos tiempos la biela se construye de una sola pieza (biela enteriza) puesto que su construcción es más sencilla y gracias a la forma del cigüeñal puede montarse y desmontarse en la muñequilla sin necesidad de separar el sombrerete. Posee dos articulaciones donde van alojados cojinetes de agujas para hacer posible el movimiento relativo sin fricción entre la biela y el bulón del pistón o la muñequilla del cigüeñal según la articulación. La biela suele tener formas exteriores redondeadas para reducir al máximo su influencia sobre las corrientes de mezcla aire-combustible que van del cárter a las lumbreras. Suele construirse de acero forjado (AISI 3115) o aluminio, materiales que resisten con solvencia los esfuerzos a los que está sometida. La biela diseñada se muestra en la Figura 17.

Figura 17. Imagen de la biela diseñada en Solid Edge.

• Cigüeñal: se encarga de recibir el movimiento de la biela y transmitirlo al resto del motor. Además se encarga de precomprimir la mezcla de aire-combustible en el cárter. Por eso su diseño tiene que adaptarse lo máximo posible a la forma cilíndrica del cárter, para dejar el menor espacio libre entre ellos (llamado espacio nocivo) haciendo así la compresión más efectiva y por tanto un mejor llenado de la cámara de combustión. Los contrapesos del cigüeñal son los que se encargan de ocupar el espacio nocivo, por eso se diseñan de forma semicilíndrica. Los cigüeñales de los motores de dos tiempos monocilíndricos se construyen en dos partes separadas para facilitar el montaje del conjunto del motor. De la misma manera esta disposición facilita el desmantelamiento del motor cuando se tiene que cambiar algún componente. Una muñequilla es la encargada de unir las dos partes del cigüeñal, con la biela entre ellos. Esta muñequilla se monta a presión con ayuda de una prensa. En el diseño del cigüeñal tiene que ponerse especial cuidado en las tolerancias dimensionales puesto que va alojado en el cárter con mucho ajuste. Está sujeto al cárter mediante dos apoyos que permiten el giro gracias a unos rodamientos de bolas. El cigüeñal suele construirse con una aleación de acero AISI 4340 moldeado mediante forja o fundición. La parte izquierda del cigüeñal es la que conecta con el rotor del alternador del motor mediante un sistema de chaveta (Figura 18). La parte derecha conecta con la caja de velocidades mediante un eje nervado al que se le acopla una rueda dentada (Figura 19).


• Elementos auxiliares: son los demás elementos del conjunto que ,aunque no son objeto de diseño en sí, son indispensables para asegurar el buen funcionamiento y la correcta relación entre todas las partes del conjunto. Estos elementos pueden estar normalizados o no. Se mencionan a continuación:

- Bulón del pistón: pequeña pieza de forma cilíndrica que conecta el pistón con la parte trasera de la biela. Va montado con holgura justa al pistón de manera que al someterlo a carga quede perfectamente ajustado. Se fabrica de acero.

Figura 20. Bulón del pistón.

Figura 18. Distintas vistas del semicigüeñal izquierdo diseñado en Solid Edge.

Figura 19. Distintas vistas del semicigüeñal derecho diseñado en Solid Edge.


- Anillos de retención: aseguran la posición del bulön en el piston y reducen la posibilidad de paso de gases. Van colocados en el pistón en unas ranuras mecanizadas para alojarlos,a ambos lados del bulón. Se fabrican de acero.

- Corona de agujas: tipo de rodamiento que permite el movimiento relativo entre el bulón del pistón y la biela. Absorbe los esfuerzos axiales que se producen en el bulón.

- Bulón del cigüeñal o muñequilla: pieza cilíndrica que une las dos partes del cigüeñal entre sí y fija la posición de la biela entre las dos partes. Se coloca apresión en los vaciados correspondientes de cada semicigüeñal para asegurar la unión de este. Se construye de acero.

- Rodamiento de agujas: elemento normalizado que permite el movimiento relativo entre

la cabeza de la biela y la muñequilla del cigüeñal. Absorbe los esfuerzos axiales.

Figura 21. Anillo de retención en solid Edge.

Figura 23. Bulón del cigüeñal o muñequilla en Solid Edge.

Figura 22. Corona de agujas, diseño en Solid Edge simplificado.

Figura 24. Rodamiento de agujas, diseño simplificado en Solid Edge.


Una vez se dispone de todos los elementos diseñados en se procede a su ensamblado con ayuda del programa Solid Edge. El proceso seguido y el resultado del conjunto final montado pueden observarse en la Figura 25.

2.3. Simulación del tren alternativo.

Después de haber construido y montado el tren alternativo, el siguiente paso es simular el conjunto mediante elementos finitos para conocer los esfuerzos máximos que soporta el cigüeñal. En función esfuerzos máximos del cigüeñal obtenidos se podrá elegir el material con las propiedades necesarias para que sustituya al acero en su construcción. Para obtener los esfuerzos máximos soportados habrá que simular el conjunto en la situación más desfavorable del ciclo de trabajo. Este momento se da cuando se produce la explosión de la mezcla de aire-combustible gracias al chispazo emitido por la bujía. La violenta inflamación del combustible aumenta de golpe la presión de la cámara de combustión, empujando el pistón hacia abajo. La presión que experimenta el pistón es transmitida en forma de fuerza a todos los elementos del tren alternativo del motor hasta llegar al cigüeñal. La excentricidad de la muñequilla provoca que la fuerza cree un par que haga girar el cigüeñal. Por lo tanto la fuerza máxima que soporta el cigüeñal viene dada por la presión máxima que se alcance en la cámara de combustión. Este es el dato necesario para llevar a cabo la simulación.

Figura 25. Proceso de montaje del conjunto del tren alternativo (arriba) y conjunto terminado (abajo).


2.3.1. Calculo de la presión máxima desarrollada en la combustión. La presión máxima teórica alcanzada en la cámara de combustión puede calcularse

resolviendo el ciclo Otto que sigue el motor. El ciclo se resuelve suponiendo que el fluido que circula por el motor es un gas ideal. Esta aproximación no es lejana a la realidad porque la mezcla aire-combustible que circulará por el motor hasta su explosión está constituida por unas quince partes de aire por cada una de combustible. A este factor se le llama dosado estequiemétrico ( Fe). En los motores de gasolina convencionales el dosado estequiométrico suele ser de 1/14,6. El dosado del motor es un parámetro de gran influencia en la combustión, pues determina la cantidad de combustible que hay presente en la mezcla. La combustión de la mezcla es lo que va a causar el pico de presión y temperatura en el motor. Para poder resolver el ciclo termodinámico es esencial conocer el calor que va a aportar la quema de combustible a dicho ciclo. El calor aportado depende directamente del poder calorífico del combustible (PCI) que se queme así como del dosado o relación aire combustible que tenga la mezcla. La ecuación que relaciona estos parámetros es:

𝑸𝒂𝒑𝒐𝒓𝒕𝒂𝒅𝒐 = 𝑷𝑪𝑰 · 𝑭

PCI es el poder calorífico del combustible usado. El motor que se está diseñando es un motor de dos tiempos propulsado por gasolina normal. El PCI de la gasolina normal es de 43700 KJ/Kg. F es el dosado total de la mezcla. Se obtiene del producto del dosado estequiométrico por el dosado relativo, F=Fe·Fr. El dosado estequiométrico (Fe ) es la relación en volumen que han de tener el combustible y el aire en la mezcla para que se dé una combustión totalmente homogénea, sin sobrante de ninguno de los dos componentes. El valor del dosado estequiométrico en los motores de gasolina suele estar entre 1/15 y 1/14. En este caso se tomará un valor de Fe de 1/14,6 , lo que significa que para que la combustión sea perfecta la mezcla debe estar compuesta por 14,6 volúmenes de aire por cada volumen de gasolina. El dosado relativo indica la desviación de la constitución de la mezcla con respecto al dosado estequiométrico. Un valor menor que uno significa que en la mezcla existen más partes de aire que de combustible con respecto a la mezcla estequiométrica, es una mezcla pobre en combustible. Por el contrario, un valor mayor que uno indica que la mezcla es rica en combustible. Se prefiere que la mezcla sea pobre a rica en combustible, puesto que si es rica significa que el combustible en exceso no se quemará y acabará desperdiciándose y convirtiéndose en compuestos contaminantes. Se elige para el cálculo un valor típico de Fr de 0,8. Con todo esto puede calcularse el calor aportado, que resulta:

𝑸𝒂𝒑𝒐𝒓𝒕𝒂𝒅𝒐 = 𝑷𝑪𝑰 · 𝑭𝒆 · 𝑭𝒓 = 𝟒𝟑𝟕𝟎𝟎 ·𝟏

𝟏𝟒,𝟔· 𝟎,𝟖 = 𝟐𝟓𝟗𝟏,𝟕𝟖 𝑲𝑱

Una vez se sabe el calor aportado por la quema de combustible ya se puede proceder a resolver el ciclo. Las propiedades de los gases ideales consideradas para resolver el ciclo son:

𝑹 = 𝟐𝟖𝟕 𝑱

𝑲𝒈 · 𝑲 𝒄𝑷 = 𝟏𝟐𝟒𝟑,𝟔𝟕

𝑱𝑲𝒈 · 𝑲

𝒄𝒗 = 𝟗𝟓𝟔,𝟔𝟕 𝑱

𝑲𝒈 · 𝑲 𝜸 = 𝟏,𝟑


Antes de resolver el ciclo termodinámico hay que elegir un parámetro fundamental en el funcionamiento del motor, la relación de compresión (r = V2/V1). La relación de compresión determina los esfuerzos que va a sufrir el motor tanto a la hora de comprimir la mezcla como a la hora de la explosión. Una relación de compresión grande supone que el ratio de compresión del motor es mayor, luego se sufrirán esfuerzos más grandes a la hora de comprimir la mezcla. La compresión hace que la explosión se produzca con más fuerza, con lo que los esfuerzos en esta fase también aumentarán. El profesor John Heywood señala que los valores de la relación de compresión para motores de gasolina de pequeña cilindrada están comprendidos entre 6 y 11. Como relación de compresión para el motor que se quiere diseñar se elige r = 7, una cifra que mantiene un buen rendimiento del motor a la vez que es lo suficientemente baja como para minimizar los esfuerzos sufridos por el motor. La relación de compresión queda determinada de manera constructiva por la relación entre la cilindrada y el volumen muerto que se deja entre el pistón y la cabeza del cilindro cuando este se encuentra en el punto muerto superior. La relación de compresión queda definida según los parámetros geométricos del motor como:

Para conseguir una relación de compresión de 7 y con la cilindrada fijada en V2=52,56 c.c. el volumen muerto de la cámara de combustión tiene que fijarse en V1=8,76 c.c.

A continuación se procede a calcular los parámetros que definen cada punto del diagrama del ciclo termodinámico.

Punto 1:

Condiciones tras aspiración:

𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙𝑒𝑠 → 𝑽𝟏 =𝑹 · 𝑻𝟏𝑷𝟏

=287 · 3100,9 · 105

= 𝟎,𝟗𝟖𝟖𝟓 𝒎𝟑

𝑲𝒈


Punto 2:

𝑟 = 𝑉1𝑉2

→ 𝑽𝟐 = 𝟎,𝟏𝟒𝟏𝟐𝒎𝟑

𝑲𝒈

𝑅𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑝𝑜𝑙𝑖𝑡𝑟ó𝑝𝑖𝑐𝑎 → 𝑷𝟏 · 𝑽𝟏𝜸 = 𝑷𝟐 · 𝑽𝟐𝜸 → 𝑷𝟐 = 𝟏𝟏,𝟐𝟗 𝒃𝒂𝒓

𝑅𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑝𝑜𝑙𝑖𝑡𝑟ó𝑝𝑖𝑐𝑎 → 𝑻𝟐𝑻𝟏

=𝑽𝟏𝜸−𝟏 𝑽𝟐𝜸−𝟏

→ 𝑻𝟐 = 𝟓𝟓𝟓,𝟕𝟔 𝑲

Punto 3:

𝑽𝟑 = 𝑽𝟐 = 𝟎,𝟏𝟒𝟏𝟐𝒎𝟑

𝑲𝒈

𝑅𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑝𝑜𝑙𝑖𝑡𝑟ó𝑝𝑖𝑐𝑎 → 𝑻𝟑𝑻𝟐

= 𝑷𝟑𝑷𝟐

Para calcular P3 que es la presión objetivo que marcará el pico de presión teórica que se alcanza enla explosión es necesario saber la temperatura teórica T3. Como se ha explicado con anterioridad, el proceso de 2 a 3 representa la aportación de calor surgido de la explosión al ciclo. El calor aportado se ha calculado antes con las características del combustible que va a quemarse. Ese mismo calor aportado puede expresarse en términos termodinámicos como:

𝑸𝒂𝒑𝒐𝒓𝒕𝒂𝒅𝒐 = 𝑼𝟑 − 𝑼𝟐 = 𝒄𝒗 · (𝑻𝟑 − 𝑻𝟐) = 𝟐𝟓𝟗𝟏,𝟕𝟖 𝑲𝑱 → 𝑻𝟑 = 𝟑𝟐𝟔𝟒,𝟗𝟑 𝑲

Con la temperatura del punto 3 despejada, ya se puede calcular la presión máxima teórica que soportará el motor:

𝑻𝟑𝑻𝟐

= 𝑷𝟑𝑷𝟐

→ 𝑷𝟑 = 𝟔𝟔,𝟑𝟑 𝒃𝒂𝒓

Para aproximar a cifras redondas y aumentar el margen de seguridad se considerará como presión de diseño 70 bar, presión que se tomará como referencia para simular el conjunto y obtener los esfuerzos sufridos por el cigüeñal.

• Breve análisis térmico:

La temperatura máxima teórica que se alcanza en el ciclo viene dada por la T3= 3264,93 K = 2991,78 oC. Esta temperatura tan solo refleja la máxima temperatura puntual que se daría en el momento de la explosión sin tener en cuenta ni la transferencia de calor entre elementos ni la refrigeración del motor. A la hora de analizar el ciclo práctico los valores de temperatura de trabajo son mucho menores que este. No es un resultado que pueda tomarse como referencia real de diseño. Un resultado mucho más válido que representa bien el rango de temperaturas en las que trabaja el motor es la temperatura del punto dos, T2 = 555,76 K = 282,61 oC. Se toma como temperatura soportada en la cabeza del pistón 285 oC . Como interesa la temperatura que se alcanza en el


cigüeñal, que es el principal elemento de estudio, deben de tenerse en cuenta las distintas formas de transmisión de calor desde la cámara de combustión hasta el cárter donde se encuentra situado el cigüeñal. El calor se transmite desde la cámara de combustión por conducción a través del pistón. El aluminio de la serie 4032 tiene un coeficiente de convección de 138 W/m·K. Parte del calor se transmite por el pistón a la mezcla de combustible que se está precomprimiendo en el cárter, pero otra parte importante del calor se disipa por medio del sistema de refrigeración del motor. El sistema de refrigeración típico para un motor gasolina de dos tiempos y 50 c.c. no es más que unas aletas incorporadas en el diseño de la cara exterior del cilindro que aumentan la superficie de convección con el aire exterior. Sin embargo, y puesto que se va a tratar con materiales polímeros donde controlar la temperatura es un factor clave, el uso de sistemas de refrigeración por agua disipa mayor cantidad de calor. Se considerará por tanto que el motor estudiado tiene un sistema de refrigeración por agua. Con el uso este sistema de refrigeración se evita que gran parte del calor se transfiera a la zona del cárter. La propia mezcla de combustible también funciona como agente disipador del calor que llega al cigüeñal gracias a su circulación alrededor de este que provoca una convección forzada. El coeficiente de convección de la mezcla es de aproximadamente 125 W/m2·K. La mezcla suele inyectarse al cárter a una temperatura de entre 70 a 85 oC . Considerando todo lo mencionado la temperatura alcanzada en el cárter en condiciones de trabajo ronda los 150 oC de máxima.


2.3.2. Simulación del conjunto en SolidWorks y resultados. Tomando como presión de simulación sufrida por la cabeza del pistón 70 bar se procede a la

simulación del conjunto del tren alternativo. Para simplificar la simulación y la interpretación de los resultados se reduce el conjunto estudiado al conjunto del cigüeñal. El conjunto del cigüeñal lo forman los dos semicigüeñales unidos por el bulón que hace de muñequilla. Para poder realizar la simulación sobre este conjunto se pasará la presión sufrida por la cabeza del pistón en el punto muerto superior a fuerza. La fuerza se trasladará por el conjunto, que se tomará como sólido rígido para ese instante determinado. Con la fuerza trasladada a la muñequilla del cigüeñal se podrá empezar la simulación del conjunto.

Lo primero es expresar la presión sufrida por el pistón en términos de fuerza. Como la presión es fuerza por unidad de área, bastará con multiplicar la presión por el área de la cabeza del pistón, como se muestra en la siguiente ecuación.

𝑭 = 𝑷 · 𝑨 = 𝑷 (𝑃𝑎) · 𝝅 ·(𝑫[𝑚])𝟐

𝟒= 𝟕𝟎 · 𝟏𝟎𝟓 · 𝝅 ·

(𝟑𝟗 · 𝟏𝟎−𝟑)𝟐

𝟒= 𝟖𝟑𝟔𝟐,𝟏𝟑𝟒 𝑵

De esta forma la simulación queda de la forma indicada en la Figura 26.

La fuerza calculada ahora se pasa a la muñequilla del cigüeñal. Para esto hay que suponer que la presión máxima se produce en el punto muerto superior del pistón, justo en el instante en el que se produce la chispa que provoca la explosión. También se considera que la explosión del combustible es instantánea, aunque esto no sea así en la realidad. Si se estudia solo ese instante se puede considerar el conjunto como un sólido rígido, y por tanto puede pasarse la fuerza al conjunto del cigüeñal sin problemas. Para la simulación del conjunto del cigüeñal se exportarán las piezas al programa SolidWorks, que tiene un módulo de simulación más completo.

Para correr la simulación en SolidWorks y obtener los resultados, primero hay que fijar unas restricciones. El estudio que se va a llevar a cabo es un estudio estático del conjunto del cigüeñal. Como ambos extremos del cigüeñal van roscados a distintos elementos del motor, se considerarán como extremos fijos puesto que un movimiento de estos conllevaría un mal funcionamiento del motor. El eje también va apoyado en el cárter por medio de rodamientos de bolas. Es posible simular esta sujeción con un soporte específico para este tipo de apoyos que ofrece SolidWorks en su

Figura 26. Paso de términos de presión a fuerza en la simulación del conjunto del motor.


módulo de simulación. Fijadas las condiciones de contorno y definida la fuerza externa que actúa sobre el cigüeñal problema, el conjunto está listo para simularse por elementos finitos (Figura 27).

Con el eje preparado para la simulación ya se puede proceder a discretizar el conjunto mediante un mallado creado por los algoritmos del programa. Una vez mallado se procede a ejecutar la simulación. Los resultados obtenidos se muestran a continuación.

• Resultados de tensiones:

El resultado general del estado de tensiones del conjunto del cigüeñal puede observarse en la Figura 28.

Figura 28. Representación gráfica del estado de tensiones resultado de la simulación del cigüeñal en SolidWorks.

Sujeción fija

Sujeción de rodamientos

Figura 27. Sujeciones elegidas para la simulación en SolidWorks.


SolidWorks entrega los resultados del estado de tensiones del cigüeñal expresados según la tensión de von Mises. Esta tensión se utiliza para comprobar si un material falla o no al estar sometido a ciertos esfuerzos. La máxima tensión de von Mises se compara con el límite elástico del material de la pieza para saber si empieza a tener comportamiento plástico (deformación permanente) bajo las solicitaciones requeridas. El límite elástico del Acero AISI 4340 con el que está construido el cigüeñal es σ= 4,7 · 108 Pa, según la base de datos de SolidWorks. Como se puede observar en la Figura 28, la leyenda de colores situada a la izquierda de la imagen indica los valores de la tensión de von Mises que la figura alcanza en sus distintas partes. La tensión máxima de von Mises que se da en el conjunto simulado es σvM máx= 7,445 · 107 N/m2. Si este resultado se compara con el límite elástico del material:

𝜎𝑣𝑀 𝑚á𝑥 = 7,4446 · 107𝑃𝑎 ≤ 4,7 · 108𝑃𝑎 = 𝜎𝑙í𝑚

La tensión máxima de von Mises soportada por el conjunto del cigüeñal es menor que el límite elástico del material con lo que no hay riesgo de deformación plástica.

La localización de la tensión más alta sufrida por el cigüeñal se muestra en la Figura 29 . En la imagen puede verse que el punto coincide con el borde anguloso producido por la reducción de sección que tiene lugar al pasar del volante del cigüeñal al eje. Este resultado tiene sentido porque las tensiones suelen concentrarse en las aristas vivas de la geometría producidas por cambios bruscos de volumen.

Figura 29. Localización del punto de máxima tensión en el conjunto simulado en SolidWorks.


La mayoría de las tensiones más altas que sufre en cigüeñal se localizan en las proximidades del alojamiento del bulón. Esto es debido a que el bulón es el elemento que conecta las dos partes del cigüeñal y les transmite la fuerza que llega del pistón. La fuerza se reparte por todo el volumen de las cercanías, afectando más a las aristas, como se ha mencionado antes. Cabe destacar que no es en el bulón donde se registra la mayor tensión, a pesar de ser el elemento que recibe la fuerza directamente. El rediseño del eje en los capítulos siguientes tendrá que centrarse en cómo aliviar las tensiones en las aristas que conectan el cuerpo principal del eje del cigüeñal a los volantes. A continuación se incluyen unas figuras que detallan la situación de las secciones que sufren mayor esfuerzo del cigüeñal.

Figura 30. Sucesión de imágenes que ayudan a situar las regiones de la pieza que sufren los mayores esfuerzos.


• Resultados de desplazamientos:

Esta parte del análisis indica cuánto se ha movido el cigüeñal respecto a la posición inicial de simulación una vez se le aplica la carga. Grandes movimientos en el cigüeñal pueden provocar que roce con los demás componentes del motor, como el cárter, y que se produzcan desde desgastes en las piezas hasta su gripado debido a las altas temperaturas que provocaría el roce de piezas. Hay que controlar los desplazamientos del eje en condiciones de trabajo con respecto a las tolerancias de los elementos del motor y ver que se cumplen para asegurar un buen funcionamiento de todo el conjunto. En la Figura 31 se pueden observar los resultados obtenidos de la simulación representados gráficamente. La leyenda de colores indica el grado de desplazamiento de los distintos puntos del conjunto según su color. También se ha exagerado la deformada para poder tener una mejor idea del movimiento que tiene lugar.

Figura 31. Representación gráfica de los desplazamientos sufridos por el cigüeñal tras su simulación en SolidWorks.

Los resultados de la simulación indican que el máximo desplazamiento sufrido por el eje es de 9,635·10-3 mm =9,635 μm. El desplazamiento elegido para la representación de resultado es el desplazamiento global de los puntos (URES) que indica el desplazamiento total en todas las direcciones. La idea de dirección y sentido del desplazamiento del punto lo da la deformada. Se puede ver como el desplazamiento máximo tiene lugar en los extremos inferiores de ambos volantes del cigüeñal. Estos tienden a descender y a abrirse por efecto de la fuerza transmitida al cigüeñal. Aunque en la imagen parezca que el desplazamiento es grande, es solo efecto de la magnificación de la deformada con el fin de poder interpretar mejor los resultados. En realidad un desplazamiento de 9,635 μm es imperceptible a simple vista. Es un desplazamiento muy pequeño como para que pueda

influir en el funcionamiento del motor. Se supone que el cigüeñal se diseña con una tolerancia tal que tenga en cuenta los pequeños desplazamientos del cigüeñal bajo carga.


• Resultados de deformaciones:

El programa tambien entrega los resultados de las deformaciones unitarias equivalentes (ESTRN) que experimenta la pieza. En la Figura 32 puede observar que el valor máximo alcanzado por las deformaciones producidas por la fuerza externa aplicada es de 3,1·10-4 ESTRN. Es un valor pequeño, dentro de los límites de deformación en condiciones de trabajo del cigüeñal. Los mayores valores de deformación se dan, como ya pasaba en los apartados anteriores, en las aristas del cigüeñal.

Figura 32. Representación gráfica del resultado del estado de deformaciones de la pieza simulada en SolidWorks.

Capítulo 3. Elección del nuevo material. 45

Capítulo 3.

Elección del nuevo material.

Con ayuda de los resultados de la simulación se obtienen los parámetros límite de las propiedades que tiene que tener un material para ser candidato a sustituir al acero en la construcción del cigüeñal. De la simulación se ha obtenido que la mayor tensión de von Mises que va a soportar la pieza es de 74,446 MPa. Los materiales candidatos por tanto han de tener un límite elástico superior a esa tensión. Se escogerá como mínimo límite elástico 80 MPa para asegurar que el material resiste sin problemas los esfuerzos a los que se le va a someter. Como requisitos mecánicos del material también se busca que el módulo de Young de los candidatos sea mayor que 10 MPa. Este requisito se impone debido a que las deformaciones del material en la situación de trabajo tienen que estar contenidas dentro del rango que permitan las tolerancias que aseguren el buen funcionamiento del motor. El módulo de Young relaciona el nivel de deformación del material con la tensión que se le aplique, cuanto más alto sea significa que el material se deformará menos para una tensión dada. El comportamiento térmico del material es importante en esta aplicación y debe tenerse en cuenta a la hora de elegir el nuevo material. Se debe controlar que el coeficiente de dilatación sea el más bajo posible y que la máxima temperatura de trabajo ronde los 150 oC. Todas las propiedades anteriores han de ser cumplidas estrictamente por los materiales candidatos pues solo así se asegurará el buen funcionamiento de la pieza. Pero el propósito inicial del proyecto es construir un cigüeñal con un material polímero que abarate el coste de producción global del motor. Con el fin de cumplir este propósito se limita el precio del material a 10 €/Kg. Puede parecer un poco elevado pero es la única forma de poder observar suficientes candidatos y en caso de semejanza en sus propiedades decantarse por el de menor precio. Otro requisito para que se cumplan los propósitos económicos del proyecto es que el material pueda moldearse por inyección, puesto que es un método de conformado muy barato que reducirá mucho los costes a la hora de producir la pieza. Estos son los requisitos generales que tiene que cumplir el nuevo material.

Para poder conocer las demás propiedades que tiene que poseer el nuevo material se debe analizar el material tradicional del que se constituye el cigüeñal. Este material es el Acero AISI 4340. Es un Acero ampliamente utilizado en el área de maquinaria debido a sus excelentes propiedades mecánicas. Tiene una gran homogeneidad de durezas en toda su sección, posee una buena templabilidad, una alta tenacidad y una gran resistencia a la tensión. Es fácil de soldar por métodos comunes y posee una maquinabilidad media. Se usa para fabricar piezas sometidas a severas exigencias estructurales como son ejes, engranajes, bielas, portamoldes, moldes, etc. Tiene como principales aleantes el Molibdeno y el Cromo-Níquel, elementos que le confieren parte de sus grandes propiedades mecánicas.


Tabla 2. Principales porcentaje de aleantes que componen el acero AISI 4340.

Principales propiedades del acero AISI 4340

Densidad 7790- 7870 Kg/m3 Precio 0,764 - 0,844 €/Kg Módulo de Young 200 - 210 GPa Coef. De Poisson 0,32 - 0,33 Límite elástico 1500-1650 MPa Módulo de ruptura 1500-1650 MPa Dureza Vickers 385 - 475 HV Máxima temperatura de servicio 160 - 180 o C

Conductividad térmica 36,3 - 39,3 W/m o C

Coef. de expansión térmica 12,4 - 13,1 μstrain/ oC

Tabla 3. Principales propiedades del acero AISI 4340.

Estas propiedades servirán de referencia a la hora de elegir el nuevo material. Se intentará que las propiedades del material sustituto sean parecidas a las del acero AISI 4340 puesto que es un material que cumple perfectamente los requisitos de trabajo a los que es sometido en el motor.

Con todos estos datos orientativos se procederá a la búsqueda de candidatos en la base de datos del programa Ces Edupack.

3.1. Búsqueda de posibles materiales.

La búsqueda de materiales se llevará a cabo con ayuda del programa Ces Edupack y su base de datos interna. Se procederá a abrir un nuevo proyecto en el programa y a introducir en los parámetros de búsqueda los siguientes datos:

- Tipo de material: polímero/composite - Precio: 10 €/kg Máximo - Módulo de Young: 10 GPa Mínimo - Límite elástico: 80 MPa Mínimo

Con estos criterios de búsqueda se obtienen los primeros candidatos. Se representan los candidatos obtenidos en la Figura 33 y en la Figura 34.

% C % Cr % Mn % Mo % Ni % Si0,38 - 0,43 0,7 - 0,9 0,6 - 0,8 0,2 - 0,3 1,65 - 2 0,1 - 0,35

Composición típica del acero AISI 4340


Figura 33. Grafico Límite elástico - Precio de los materiales candidatos.

Figura 34. Gráfico Módulo de Young – Precio de los materiales candidatos.

Los materiales que aparecen en color GRIS son materiales que no han cumplido los criterios de selección.

Los materiales que aparecen en color ROJO son poliamidas, polímeros que si han pasado los criterios de selección pero que no son válidos para la construcción del cigüeñal puesto que las propiedades de estos polímeros varían mucho en presencia de humedad. Las poliamidas absorben la humedad del entorno y esto hace que sus propiedades cambien por completo. Uno de los requisitos del nuevo


material es que sean inertes al contacto con el combustible. Las poliamidas al entrar en contacto con el combustible verían afectadas sus propiedades. Por tanto toda poliamida ha de ser desechada como candidato.

Fijándose en la Figura 33 , los siguientes polímeros con mayor límite elástico son la poliéterimida +percloroetileno reforzado con un 30% de fibra de vidrio (PEI/PCE 30% GF), el tereftalato de polietileno reforzado con un 30% de fibra de carbono (PET 30% CF) y el tereftalato de polietileno reforzado con un 40-45% fibra de vidrio (PET 40-45% GF). Como curiosidad mencionar que los candidatos finales son todos materiales compuestos. De no ser por el refuerzo con fibras, un material polímero de por sí no podría resistir los esfuerzos a los que se someterá al eje. Comparando los tres candidatos se puede observar que el precio del PEI/PCE 30% GF y del PET 30% CF es unas tres veces mayor que el del PET 40-45% GF, si bien es verdad que el módulo de Young de los dos primeros es más alto. El cuanto a límite elástico los tres tienen valores semejantes. Para poder decidirse entre uno u otro candidato se comparan a continuación las propiedades relevantes para la aplicación deseada de los tres materiales:

Principales propiedades de los polímeros candidatos

PET 45% GF PET 30% CF PEI/PCE 30% GF Unidades

Densidad 1700 1400 1460 Kg/m3 Precio 2,35 8,8 8,5 €/Kg Módulo de Young 14,4 24,5 10,3 GPa Coef. De Poisson 0,338 0,32 0,33 Límite elástico 157 138 160 MPa Módulo de ruptura 310 265 215 MPa Dureza Vickers 47 41 40 HV Máxima temperatura de servicio 192 186 172 o C

Conductividad térmica 0,59 0,69 0,66 W/m o C

Coef. de expansión térmica 29 21,2 34 μstrain/ oC Absorción de humedad 0,04 0,05 0,65 %/día Resistencia a corrosión hidrocarburos

(gasolina) SÍ SÍ SÍ

Tabla 4. Datos de las principales propiedades de los polímeros candidatos.

De la comparación de propiedades de la Tabla 4 se puede extraer como conclusión inicial que el PEI/PCE 30% GF queda excluido como candidato ya que, aunque su límite elástico sea el más alto de los tres, su coeficiente de absorción de humedad es demasiado alto como para utilizarlo en esta aplicación. Asimismo sus otras propiedades están ligeramente por debajo de las de los otros candidatos. Su elección sólo sería justificada en caso de que el precio del material fuese lo suficientemente bajo como para apostar por él, pero en este caso ni eso acompaña.


De la comparación de los otros dos candidatos resalta la diferencia de precio entre ambos. Esto solo puede ser debido a las fibras que se añaden como refuerzo a la matriz polimérica. La fibra de carbono, si bien mejora las propiedades mecánicas del composite (como el módulo de Young el cual casi llega a duplicarse por el uso de esta fibra en menor porcentaje que la de vidrio para la misma matriz polimérica), eleva el precio del material en unas cuatro veces. Para una producción en serie de gran volumen el precio es muy importante, y la elección de este material solo podría justificarse si las propiedades del material mejorasen muy notablemente en comparación con el otro candidato. Pero se puede observar que esto no es así, con lo que se acaba por desechar este candidato.

El material elegido, por tanto, es el tereftalato de polietileno reforzado con un 45% de fibra de vidrio (PET 45% GF). Este composite ofrece unas grandes propiedades que hacen que sea un buen candidato para sustituir al acero en la construcción del cigüeñal, sin embargo su potencial tendrá que ser validado por simulación. El precio del material es orientativo y va a depender del fabricante. Es un material que ofrece flexibilidad a la hora de ajustar el precio a los requisitos necesarios. Es decir, se puede añadir más o menos fibra de vidrio al material (hasta un 60%) en función de que se necesite elevara alguna de las propiedades o al contrario, se podrá quitar fibra de la composición si se detecta que con cierto porcentaje cumple las solicitaciones. Esto revertirá en el precio final del material, pudiendo ajustar lo máximo posible el presupuesto de la pieza a construir. También se puede añadir otro polímero a la matriz para mejorar sus propiedades, como el PBT, todo en función de lo que se quiera potenciar.

3.2. Análisis del material elegido.

El material elegido finalmente, como se ha mencionado en el apartado anterior, es el material compuesto formado por una matriz de tereftalato de polietileno (PET) reforzado con fibra de vidrio. El PET es un termoplástico de estructura lineal y de alto grado de cristalinidad, lo que le confiere unas buenas propiedades mecánicas. Está englobado dentro del grupo de los poliésteres, materiales sintéticos que contienen el grupo funcional éster en su cadena principal. EL sintetizado del PET se consigue mediante una reacción de polimerización por condensación entre ácido tereftálico y etilenglicol. La polimerización por condensación es un proceso endotérmico de bajo coste luego la obtención del PET es relativamente barata. Dependiendo del grado de pureza que se desee el coste será mayor o menor en función del catalizador que se utilice para la policondensación y de otros factores. La ventaja que tiene la utilización del PET es que es un polímero fácilmente reciclable. Con cada reciclado el PET aumenta su viscosidad intrínseca, mejorando así sus propiedades. El problema del reciclado del PET cuando se usa conjuntamente con la fibra de vidrio es la separación de los dos materiales, pero aun así ya existen métodos de reciclaje basados en el uso de filtros especiales que se encargan de esto. De cualquier forma, se puede utilizar PET reciclado para construir el cigüeñal, mezclándolo con fibra de vidrio posteriormente.


Las principales propiedades del PET son:

- Polímero compacto y rígido. - Gran dureza. - Resistente a casi todos los disolventes orgánicos, incluidos los hidrocarburos. - Resistente a la abrasión. - Fácil de mecanizar. - Material soldable. - Alta estabilidad dimensional.

Una de las propiedades del PET que resultan más interesantes para la aplicación estudiada es el bajo coeficiente de que posee. El acero posee un coeficiente de fricción dinámica acero-aluminio de 0.47 (suponiendo que el cárter del motor esté hecho de aluminio, representa la fricción cigüeñal-cárter) y acero-acero de 0.57 (suponiendo esta vez que el cárter sea de acero). El PET tiene un valor de coeficiente de fricción dinámica sobre acero de 0.25. Esto supone que el rozamiento entre el nuevo cigüeñal de PET provocará un menor desgaste en el cárter del motor, así como en el propio cigüeñal, prolongando la vida de ambos y disminuyendo los esfuerzos a los que se ven sometidos. [6]

Hasta aquí se ha hablado de las propiedades del material que forma la matriz del material compuesto. A las propiedades de esta matriz hay que sumarle las propiedades que le confiere la adición de la fibra de vidrio como agente reforzante. La fibra de vidrio no es más que filamentos extruidos hasta un diámetro diminuto compuestos esencialmente de sílice. Estos filamentos se cortan en pequeñas partes y se añaden al material base. Los pequeños hilos quedarán dispuestos en la matriz aleatoriamente. Según la longitud de estos hilos las fibras se clasifican en largas, cortas o “whiskers”. La longitud afectará a la isotropía de las propiedades del material compuesto así como a la facilidad de conformarlo por inyección. La fibra de vidrio mejora las propiedades mecánicas y térmicas del material base a costa de un incremento del peso. Cuanto más porcentaje de fibras haya en el material compuesto, mejores serán sus propiedades pero mayor será su coste. Habrá que encontrar por tanto un compromiso entre ambos factores.

PET

Fibras de vidrio

Figura 35. Ejemplo de estructura del composite de matriz PET con refuerzo de fibras de vidrio


Para definir las propiedades finales del material que se va a utilizar hay que fijar primero el contenido en fibra de vidrio del composite. Para ello primero hay que conocer los compuestos disponibles en el mercado. La mayoría de proveedores ofrecen PET reforzado con fibra de vidrio desde un 10% hasta un 50-55%.A continuación se muestran ejemplos de proveedores y los productos que ofrecen.

• BASF: Proveedor estadounidense. En su línea de productos Petra ofrece PET reforzado con fibra de vidrio desde un 30 % hasta un 45 %.

Tabla 5. Principales propiedades de algunos de los productos de la serie Petra de BASF.

• DSM: Proveedor holandés. En su gama Arnite ofrece PET reforzado con fibra de vidrio desde un 20% hasta un 50%.

Propiedades de algunos de sus productos

Arnite AV2 340 Arnite AV2 390 Unidades

Contenido en fibra de vidrio 20 50 %

Densidad 1520 1780 Kg/m3 Módulo de Young 8,5 19 GPa Límite elástico 150 200 MPa Máxima temperatura de servicio 200 210 o C

Coef. de expansión térmica 0,7 0,35 E-4/ oC Absorción de humedad 0,05 0,03 %/día Resistencia a corrosión hidrocarburos

(gasolina) SÍ SÍ

Tabla 6. Principales propiedades de algunos de los productos de la serie Arnite de DSM.

Propiedades de algunos de sus productos Petra 130 Petra 140 Unidades


Densidad 1550 1700 Kg/m3 Módulo de Young 10,4 16,2 GPa Límite elástico 155 180 MPa Máxima temperatura de servicio 140 200 o C

Coef. de expansión térmica - - / oC Absorción de humedad 0,04 0,02 %/día Resistencia a corrosión hidrocarburos

(gasolina) SÍ SÍ


•DuPont: Proveedor estadounidense. En su línea de productos Rytine ofrece PET reforzado con fibra de vidrio desde un 15% hasta un 45%.

Propiedades de algunos de sus productos Rytine 530 Rytine 545 Unidades


Densidad 1560 1690 Kg/m3 Módulo de Young 10,2 15,5 GPa Límite elástico 150 182 MPa Máxima temperatura de servicio 160 180 o C

Coef. de expansión térmica 81 83 E-6/K Absorción de humedad 0,07 0,06 %/día Resistencia a corrosión hidrocarburos

(gasolina) SÍ SÍ

Tabla 7. Principales propiedades de algunos de los productos de la serie Rytine de DuPont.

En las tablas de propiedades de cada fabricante se muestran las propiedades de dos productos representativos de cada gama. Se compara uno con un porcentaje de fibra de vidrio bajo con el de porcentaje más alto de la gama. Se pueden distinguir las diferencias de un mayor contenido en fibra de vidrio, la densidad aumenta pero también lo hacen el módulo de Young y el límite elástico. Como en este proyecto interesa asegurar unas buenas propiedades del material se cogerá el del proveedor que mejores propiedades ofrezca en su catálogo. La diferencia de precio entre unos y otros se analizará más adelante en el apartado de estudio económico, aunque se puede intuir de antemano que estando en el mismo área de mercado los precios serán muy parecidos. Se elige por lo tanto el producto Arnite AV2 390 ofrecido por DSM. Es un material compuesto con matriz de PET y refuerzo de un 50% de fibras de vidrio. El precio ofrecido por el proveedor es de 2,73 €/Kg.

Con las propiedades del material a utilizar ya definidas se puede pasar a validar la pieza construida con ese material por simulación en SolidWorks. El la validación se comprobará si el material ha sido correctamente elegido para la función que se le quiere asignar.


3.3. Validación del cigüeñal fabricado con el nuevo material.

En este apartado se procede a comprobar que el nuevo cigüeñal construido con el material elegido aguanta los esfuerzos a los que se va a ver sometido en condiciones de trabajo. Para ello se definirá el nuevo material en el programa SolidWorks y se simulará la pieza de la misma forma en que se simuló en el apartado 2.3.2. (Simulación del conjunto en SolidWorks y resultados, pág. 27). Tanto las condiciones de contorno como la fuerza externa serán las mismas que las indicadas en dicho apartado. Las sujeciones del eje consideradas para la simulación pueden verse en detalle en la Figura 27.

Con todo esto se ejecuta la simulación y se obtienen los siguientes resultados:

Figura 36. Representación en SolidWorks de la apariencia del cigüeñal fabricado con PET 50% GF.


Lo primero que se debe comprobar es si el nuevo material aguanta las tensiones a las que es sometido. El límite elástico del PET reforzado con 50% fibra de vidrio es de 180 MPa. La tensión máxima de von Mises que sufre el cigüeñal según los resultados de la simulación es de 82,189 MPa. Por lo tanto:

𝜎𝑣𝑀 𝑚á𝑥 = 82,189 𝑀𝑃𝑎 ≤ 180 𝑀𝑃𝑎 = 𝜎𝑙í𝑚

El nuevo material aguanta las máximas tensiones de trabajo a las que va a estar sometido luego es un material válido para esta aplicación. Pude observarse que en esta simulación el valor de la tensión máxima (y de las tensiones sufridas por el cuerpo en general) es mayor que el obtenido en el apartado 2.3.2. aun teniendo el cigüeñal el mismo diseño y estando sometido a las mismas fuerzas. Esto es porque para ejecutar esta simulación se ha elegido un mallado más fino que en el apartado mencionado anteriormente. La elección de un mallado más fino es debida a que para esta simulación se desean unos resultados más precisos, pues esta es la simulación crítica que determina si el nuevo material va a aguantar o no. Ese es el motivo por el cual los valores de las tensiones salen más altos, porque son más precisos. Los resultados del estado de tensiones de la pieza simulada se representan gráficamente en la Figura 37, la Figura 38 y la Figura 39.


NOTA: El valor del límite elástico del material se ve afectado por la temperatura. Se ha estimado con anterioridad que la temperatura de trabajo del cigüeñal dentro del cárter es de alrededor de 150 oC. Para esta temperatura las propiedades del material pueden cambiar, sin embargo esta cifra es meramente orientativa pues puede reducirse con un sistema de refrigeración más eficiente.

Figura 37. Representación gráfica del estado de tensiones sobre el cigüeñal fabricado con el nuevo material sometido a las máximas fuerzas de trabajo.

Figura 39. Regiones del cigüeñal donde se concentran los valores más altos de tensiones.

Figura 38. Localización del punto de tensión máximo sufrido por el cigüeñal. Calculado mediante simulación en SolidWorks.



En la Figura 40 pueden verse representados los desplazamientos que sufre el cigüeñal para la situación más desfavorable de trabajo. Los mayores niveles de desplazamiento de la pieza (color rojo) tienen lugar los extremos del volante de inercia del cigüeñal contrarios a la muñequilla. El valor del desplazamiento máximo es de 8,1 · 10 -2 mm = 81 µm. El desplazamiento es pequeño pero en términos de tolerancias empieza a ser notable. Habrá que tener en cuenta este desplazamiento cuando se monte el cigüeñal en el cárter, para ver si en condiciones de trabajo se produce algún roce entre partes. En los lugares donde se requiere una tolerancia más estricta, como en las superficies donde van colocados los rodamientos, los desplazamientos alcanzan valores de hasta 15 µm. Este valor ronda el intervalo de tolerancia de 21 µm que fija el grado de tolerancia k7. Los desplazamientos sufridos por el cigüeñal son admisibles para la aplicación.

Figura 40. Representación gráfica de los desplazamientos experimentados por la pieza.(SolidWorks).

Figura 41. Representación de la deformada del cigüeñal. Se ha utilizado una escala 60:1 para poder apreciar los desplazamientos en la pieza.



En cuanto a las deformaciones sufridas por el cigüeñal puede apreciarse en la Figura 42 como los valores máximos se dan en el cambio de espesor donde el eje entronca con la masa principal del cigüeñal que ejerce de volante de inercia. El resultado de deformación unitaria máxima entregado por la simulación es de 3,326·10-3 ESTRN. Como ya se hizo con el análisis del cigüeñal original, tiene que prestarse especial atención a la cara donde se producen las máximas deformaciones puesto que es una cara que precisa de unas tolerancias muy ajustadas ya que sobre ella va a ir apoyada la cara lateral de un rodamiento. A pesar de que las deformaciones unitarias hayan aumentado su valor en 10 veces aproximadamente con respecto a la pieza hecha de acero, siguen estando dentro del rango de tolerancias fijado para las caras críticas del cigüeñal que son en las que va a ir colocado e rodamiento.

Figura 42. Resultados de deformaciones del cigüeñal construido con el nuevo material obtenidos con SolidWorks.

Capítulo 4. Diseño final y conclusiones. 57

Capítulo 4.

Diseño final y conclusiones.

Cuando se analizan los resultados de la simulación del cigüeñal puede apreciarse que los mayores esfuerzos se concentran en las aristas vivas cercanas a la masa central. Dichos esfuerzos máximos pueden aliviarse suavizando el contorno de la pieza en aquellas zonas donde se observe una mayor concentración de tensiones. Sustituyendo las discontinuidades geométricas en el contorno del cigüeñal por transiciones de espesor y forma más redondeadas y progresivas se evita que los esfuerzos afecten sobremanera a esos puntos y se repartan uniformemente. Además se favorecerá tanto el llenado del molde de inyección para obtener la pieza como la extracción de la pieza del molde. En este capítulo se muestra cómo el proceso de fabricación del nuevo cigüeñal favorece la obtención de formas complejas que mejoran el comportamiento del cigüeñal en condiciones de trabajo.

4.1. Mejoras en el diseño del cigüeñal.

La forma original del cigüeñal estaba limitada en cierta manera a sus procesos de fabricación. Para dar forma al acero es necesario tornear el basto material inicial hasta que coja una forma aproximada a la final. Después de tienen que rectificar aquellas superficies de la pieza que requieran un acabado más preciso e incluso fresar los orificios donde se aloja el bulón que hace de muñequilla. Toda esta acumulación de fases no hace más que encarecer la producción del cigüeñal. Además las máquinas mencionadas tienen sus limitaciones técnicas a la hora de conseguir ciertas formas. En el torno, por ejemplo, a la hora de tornear los extremos del eje se prefiere que las formas sean cilíndricas y no cónicas pues las formas cilíndricas se consiguen con más facilidad que las cónicas o las más complejas. Para conseguir formas cónicas y demás de sección variable hace falta un torno de control numérico que verifique en todo momento que la forma que se le está dando a la pieza es la deseada. El necesitar un torno de control numérico, con su respectivo código de programación, hace que aumente aún más el precio de fabricación de la pieza. Igualmente afecta al tiempo de obtención de esta y alarga las fases del proceso. Los fabricantes de cigüeñales de acero intentan que en el diseño las formas sean las más simples posibles para así facilitar el proceso de fabricación (fabricación integrada). El afán de reducir costes de fabricación y las limitaciones impuestas por las máquinas hacen que los cigüeñales de motores de 50 cc. construidos en la actualidad para fabricación en serie de ciclomotores hace que se dejen sin optimizar partes del diseño que podrían perfeccionarse con el fin de mejorar su resistencia estructural o resistencia a fatiga. Gracias al


proceso de inyección de plásticos con el que se va a conformar el nuevo cigüeñal de PET 50% fibra de vidrio, la obtención de formas complejas en el cigüeñal resulta mucho más fácil. Basta con tener el molde de inyección con el negativo de la pieza que se quiera obtener. La inversión será inicial y recaerá en el molde, pero se verá amortizada a medio plazo en cuanto se observe la reducción de tiempos de fabricación y de coste general del proceso. Por tanto el nuevo proceso de fabricación permite optimizar el diseño del cigüeñal dotándole de una forma más adecuada para sus condiciones de funcionamiento. Esta es otra muestra del potencial de esta tecnología.

Como ejemplo se quiere mejorar el diseño de las aristas vivas que se pueden observar en el diseño original, producto del proceso de torneado. Las aristas vivas son un factor de riesgo cuando una pieza trabaja a fatiga. Un salto brusco de sección provoca que se concentren en ese lugar las tensiones producidas bajo las cargas cíclicas de trabajo de la pieza. Como puede observarse en la Figura 42 los cambios bruscos de sección en el eje producen aristas donde se concentran las tensiones más altas que sufre el cigüeñal.

El punto de tensión máxima es donde más posibilidades hay de que se produzca la nucleación de una microfisura inicial que con el paso de los ciclos de carga acabe expandiéndose por toda la sección hasta provocar el fallo de la pieza. Los puntos críticos, como puede observarse en la Figura 42, suelen aparecer en la superficie de la pieza. Se debe idear un nuevo diseño que evite la concentración de tensiones en un punto concreto con el fin de evitar la aparición de grietas. El diseño ideal es aquel que reparte la tensión entre todas las secciones gracias a una transición suave de espesores que evite la aparición de aristas vivas. La solución a tomar debe ser la unión progresiva de espesores con radios de acuerdo lo más grandes posible para así evitar cambios bruscos donde puedan concentrarse las tensiones.

Teóricamente un material compuesto de matriz polimérica tiene una mejor relación tenacidad/peso que un acero normal. El los aceros la grieta se propaga por los distintos planos cristalinos debido a la tensión de cizalladura que se crea en la grieta. El avance de la grieta puede modelarse mediante las ecuaciones clásicas de mecánica de fractura. El acero se considera un material isotrópico, pero con los materiales compuestos no sucede lo mismo. Los materiales compuestos son anisotrópicos, es decir, sus propiedades varían según la dirección que se estudie. Por muy bien que se repartan las

Figura 43. Corte longitudinal (derecha) y transversal (centro) del cigüeñal por los planos que contienen al punto de máxima tensión.


fibras en un material compuesto, a nivel microscópico la anisotropía sigue presente debido a la unión de dos materiales de distinta naturaleza. Esto hace que el estudio de estos materiales a fatiga sea complejo, inexplicable por las ecuaciones de la mecánica de fatiga clásica. La vida a fatiga de los materiales compuestos suele estimarse mediante métodos estadísticos. La matriz polimérica del material compuesto aporta tenacidad y las fibras de vidrio aportan una gran resistencia a la tracción. Pueden darse muchas situaciones diferentes en caso de que aparezca una grieta: que la fibra se separe de la matriz y ceda, que se rompan por un lugar diferente a la grieta por un fallo en su estructura interna o que resistan el paso de la grieta y, gracias a su alta resistencia a la tracción, actúen como puentes de unión entre las dos partes de la matriz que han sido separadas por la grieta e impidan que esta siga propagándose. Estos casos están ilustrados en la Figura 43. [7].

De todos modos el comportamiento a fatiga de los materiales compuestos es excelente gracias a sus propiedades especiales. Puede igualarse al de algunos aceros. Aun así su estudio es complicado. En este proyecto no se desea hacer un análisis detallado de este aspecto, sino contar con datos que permitan realizar un estudio aproximado de la vida del cigüeñal construido con el nuevo material. Con tal fin se muestran los siguientes datos, que sirven para orientarse acerca de la resistencia de cigüeñal.

Figura 44. Representación de los distintos casos posibles del comportamiento a fatiga de un material compuesto. Imagen cortesía de Chapman and Hall Ltd.


El material compuesto elegido para comparar con los aceros está formado por una matriz polimérica de resina epoxi reforzada con láminas de fibra de vidrio colocadas con distinto ángulo. Es el materia más similar en propiedades al PET 50% GF que se ha encontrado. Puede observarse en la Figura 44 que para una carga cíclica de unos 100 MPa como la que sufre el cigüeñal la vida de la pieza está garantizada para un alto número de ciclos. En el caso del acero AISI 4340 del antiguo cigüeñal se puede ver que el cigüeñal nunca romperá a fatiga. Sin embargo en el material compuesto la curva S-N sigue descendiendo fuera del alcance del gráfico. Se debe suponer que el cigüeñal con el tiempo acabará rompiendo a fatiga, pero en un número de ciclos suficientemente elevado como para asegurar su amortización. Además se ha de contar con que las propiedades del PET 50% GF son mejores que las de la resina epoxi reforzada con fibra de vidrio, con lo que el cigüeñal resistirá perfectamente a fatiga un número considerable de ciclos.

Con todos los datos recogidos a cerca de la resistencia a fatiga del nuevo material se procede al rediseño del cigüeñal. El primer diseño se realiza teniendo en cuenta las directrices que marca la teoría de fatiga: formas redondeadas con radios de acuerdo lo más grandes que la pieza permita. El rediseño de las aristas vivas de lleva a cabo respetando la superficie necesaria en el eje para colocar el rodamiento de bolas que lo sujetará al cárter. Se desplaza el soporte del rodamiento hacia el extremo del eje para poder unir los distintos espesores con un radio más grande. Se redondean las aristas donde la concentración de tensiones era mayor, respetando la superficie recta que debe de haber en el extremo que contacta con el rodamiento para que este pueda colocarse correctamente. El resultado obtenido se muestra en la Figura 45 y en la Figura 46.

Curvas S-N para distintos aceros

Figura 45. Comparativa de las curvas S-N de distintos aceros con las de un material compuesto de matriz polimérica reforzado con fibra de vidrio.

Figura 46. Rediseño del cigüeñal redondeando las aristas vivas del diseño original.


Pero antes de tomar como definitivo este modelo hay que simularlo y observar la distribución de tensiones sobre la nueva geometría. Se procede a la simulación del nuevo diseño del cigüeñal en SolidWorks, de done se obtienen los resultados de tensiones mostrados en la Figura 47. Como el extremo que más esfuerzo sufre es el del eje nervado se centra la atención en él, sabiendo que el otro extremo tendrá un comportamiento muy similar pero con valores de esfuerzos menores.

Figura 47.

Figura 47. Nuevo diseño del cigüeñal con las aristas redondeadas.


Figura 48. Resultado del estado tensional del nuevo diseño obtenido por simulación en SolidWorks. Se indica el punto de mayor valor de tensión.

En la Figura 47 se puede ver que en la arista redondeada más próxima al extremo del cigüeñal si que se ha logrado atenuar y distribuir las tensiones, pero en el redondeo más amplio que empalma el eje con la masa del cigüeñal sigue habiendo una gran concentración de tensiones. La tensión no solo se reparte sobre la superficie, sino que también se adentra ligeramente en la pieza. El valor máximo de tensión de von Mises sufrido por la pieza es de 88, 753 MPa. Los valores de tensión máxima en la simulación de cada diseño fluctúan debido al cambio de forma de cada diseño pero también a que es muy difícil establecer el mismo mallado para todas las simulaciones. De todas formas los valores son parecidos para todos los diseños. El resultado de tensiones muestra unos resultados poco satisfactorios. Aunque la tensión se ha distribuido por la superficie en vez de estar concentrada en un punto, su valor no ha disminuido. La sección sigue siendo vulnerable a fallo por fatiga. Esto es debido a que la parte superior de la sección trabaja a compresión y el redondeo no refuerza la sección lo suficiente. Este diseño no cumple con los requisitos buscados. Se debe idear un nuevo diseño que refuerce la sección a la vez que empalme suavemente ambos espesores.

El segundo diseño que se propone es una transición cónica de espesores. La transición cónica suaviza el cambio de espesor evitando las aristas vivas y también fortalece la sección añadiendo material a la zona donde se produce la compresión. Este nuevo diseño se ilustra en la Figura 48.

Figura 48.


Figura 49. Segundo diseño del nuevo cigüeñal.

Con este diseño se confía en obtener los resultados deseados en la simulación. Se procede por tanto a simular de nuevo el cigüeñal con las mejoras de diseño incorporadas. Los resultados obtenidos de la simulación son los siguientes.


El estado tensional del cigüeñal se representa en la Figura 49.En ella se puede observar cómo el nuevo diseño produce los efectos deseados. En el cambio de grosor más acusado que empalma el volante de inercia con el tronco del eje puede verse que las tensiones han disminuido gracias al refuerzo cónico. La adición de material con un perfil cónico hace que el eje trabaje mejor a compresión y reparte mejor las tensiones a lo largo de la transición de espesor. Se percibe perfectamente cómo el color rojo, que indica los puntos con tensiones más altas, aparece puntualmente sin extenderse todo sobre una misma superficie. Las tensiones máximas quedan desplazadas de debajo del bulón al cambio de espesor más brusco producido por el alojamiento del rodamiento. Si se pudiese redondear esta transición las tensiones quedarían aún más repartidas, pero debe respetarse la planitud de las caras puesto que de no ser así el rodamiento funcionaría mal.

Figura 50. Representación gráfica del estado de tensiones sobre el diseño final del cigüeñal.


Teniendo en cuenta las diferencias producidas por el mayado utilizado para la simulación, la máxima tensión de von Mises que sufre la pieza es de 80,5396 MPa. El valor máximo se alcanza en el punto indicado en la Figura 50. En ella también puede percibir gracias a las opciones de representación de los resultados de SolidWorks que aproximadamente el 50% de los valores mayores de tensiones están localizados en la transición cónica de espesores, sin que se den grandes concentraciones en una sección en particular que puedan provocar un fallo prematuro a fatiga. Por tanto se puede decir que este nuevo diseño cumple con los requisitos tensionales que se buscaban. No Obstante tendrán que validarse con los resultados de desplazamientos y deformaciones obtenidos.

Figura 51. Representación del punto de máxima tensión (arriba) y del reparto de las mayores tensiones (abajo) sobre el diseño definitivo del cigüeñal.



Como resultado de los desplazamientos del cigüeñal con el diseño final se obtienen los indicados en la Figura 52. Puede diferenciarse con claridad cómo los mayores desplazamientos siguen dándose en la parte inferior del volante de inercia. Las dos partes del cigüeñal tienden a separarse. El valor máximo de desplazamiento alcanzado supera a los valores obtenidos en las anteriores simulaciones. Este aumento se debe en gran parte al mayado trazado para resolver por elementos finitos el cálculo de desplazamientos en el cigüeñal. El valor máximo de desplazamiento es de 1,223 · 10 -1 mm = 122 µm. Puede observarse que el color rojo (indicador de los máximos niveles de desplazamiento) es abundante en toda la mitad inferior contraria a la muñequilla donde se aplica la fuerza. Sin embargo no se extiende a más superficie del cigüeñal. El las demás partes de la pieza el desplazamiento es más comedido. Por tanto hay que prestar atención a las zonas en rojo para ver si respetan las tolerancias fijadas. Aunque el desplazamiento sigue siendo pequeño, en términos de tolerancias empieza a ser notable. Habrá que tener en cuenta este desplazamiento cuando se monte el cigüeñal en el cárter, para ver si en condiciones de trabajo se produce algún roce entre partes. En los lugares donde se requiere una tolerancia más estricta, como en las superficies donde van colocados los rodamientos, los desplazamientos alcanzan valores de hasta 20 µm. Este valor ronda el intervalo de tolerancia de 21 µm que fija el grado de tolerancia k7. Los desplazamientos sufridos por el cigüeñal son admisibles para la aplicación.

Figura 52. Resultados de los desplazamientos del diseño final de la pieza obtenidos tras simulación en SolidWorks.



En la Figura 53 se puede ver cómo el nuevo diseño favorece a la reducción de las deformaciones a lo largo de todo el conjunto, sobre todo en las transiciones de espesor donde antes se localizaban las deformaciones más acusadas. Ahora las deformaciones son menores y repartidas por toda la transición cónica. El valor máximo se da en la superficie perpendicular al eje donde se da el cambio el espesor necesario para alojar el rodamiento. El máximo valor de deformación unitaria experimentado por la pieza es de 3,444·10-3, un valor que no compromete el funcionamiento del conjunto del motor. Los picos de deformaciones máximas se encuentran aislados con lo que no suponen una deformación conjunta que pueda poner en peligro el servicio de los rodamientos.

Figura 53. Resultados de deformaciones del diseño final de la pieza obtenidos tras simulación en SolidWorks.

4.2. Método de fabricación del nuevo cigüeñal.

Una de las mayores ventajas de la construcción del nuevo cigüeñal con un material polímero es sin duda su proceso de fabricación. El PET con refuerzo de 50% de fibra de vidrio permite ser conformado por inyección de plásticos. Es un método limpio, rápido y barato del cual se obtiene la pieza terminada, sin necesidad de someterla a ningún tratamiento posterior. Ofrece innumerables ventajas comparado con el método de forja con el que se obtenía el antiguo cigüeñal. El método de forja para preformar el acero requiere de mucha energía y de grandes instalaciones especializadas en ese proceso. Además la pieza no sale terminada de este proceso, hacen falta tratamientos de mecanizado y rectificado posteriores para conseguir la forma final deseada en la pieza. Las múltiples fases por las que pasa la pieza encarecen su fabricación y alargan el proceso hasta obtener la pieza terminada. Con el proceso de inyección se reducen las fases a una, puesto que todo el conformado se realiza en una sola máquina, reduciendo en gran manera el coste y el tiempo de fabricación del cigüeñal. A continuación se expone en qué consiste el proceso de inyección que conformará el nuevo cigüeñal.


4.2.1. El proceso de inyección de plásticos. El proceso de inyección de plásticos consiste en introducir a presión en un molde el polímero

fundido que va a formar la pieza final. El polímero ( en este caso PET 50% fibra de vidrio) es introducido en la tolva de admisión de la máquina de inyección en forma de gránulos o “pellets”. De la tolva pasa al cilindro de inyección, el cual está rodeado por una serie de resistencias eléctricas que producen el calor suficiente como para fundir el polímero. El polímero fundido avanza por el cilindro gracias a un tornillo de Arquímedes alojado en su interior. El paso del polímero fundido al molde es controlado por una aguja que se abra al alcanzar la presión de consigna adecuada para la inyección fijada por el operario. Cuando la aguja se retira, el polímero entra en el molde llenándolo por completo. El polímero permanece en el molde un tiempo determinado hasta que se enfríe del todo tomando la forma de este. El molde tiene que diseñarse teniendo en cuenta la contracción que va a sufrir el polímero al enfriarse para que las dimensiones finales de la pieza sean las indicadas en el plano técnico. Una vez el polímero es enfriado por debajo de su temperatura de transición vítrea ( así se asegura que mantenga su forma tridimensional) es extraído del molde manual o automáticamente por medio de unos extractores hidráulicos. La pieza se obtiene terminada, con un acabado superficial

excelente que puede llegar a los 0.2 μm de rugosidad superficial.

Durante el proceso de inyección hay que controlar ciertos parámetros para optimizar tanto en términos económicos como de tiempo el desarrollo de la actividad. El grado de automatización de la máquina juega un papel importante en esto. Cuanto más automatizado esté el proceso (introducción automática del polímero granulado en la tolva de admisión, inyección automática, extracción automática del molde) mayor será la inversión inicial pero mejores resultados de tiempo y volumen de producción dará la instalación. También facilitará la producción en serie del cigüeñal. Respecto al ciclo de inyección, para cada fase del proceso hay que controlar una serie de parámetros:

Cierre del molde: El molde se cierra para recibir la masa fundida de polímero. El parámetro que influye a la pieza en esta fase es la fuerza de cierre del molde. Una fuerza de cierre baja puede provocar que el material se escape por los bordes del molde apareciendo así rebabas en la pieza.

Figura 54. Máquina de inyección de plásticos y sus partes. Cortesía de oycmaquinasinyeccionsji.blogspot.com.es


Plastificación: Es la transformación del polímero en una masa fundida debido al aporte de calor. Se lleva a cabo en el barril o cilindro de la máquina. La temperatura del barril tiene que ajustarse para cada polímero según su temperatura de procesamiento, su capacidad calorífica y su calor latente de fusión. La temperatura tiene que asegurar una óptima viscosidad del polímero para que fluya de manera correcta por todo el cilindro hasta ser inyectado.

Inyección: Es el proceso de llenado del molde con el polímero fundido. El objetivo es realizar esta fase en el menor tiempo posible para asegurar un buen conformado de la pieza. La fase de inyección consta de tres etapas: Llenado: El material fundido se introduce en la cavidad del molde hasta llenar el 85%

del total. Los parámetros fundamentales aquí son la velocidad de llenado y la presión de llenado.

Presurización: Se reduce la velocidad de inyección con el objetivo de homogeneizar la densidad del material e igualar la presión dentro del molde. Se completa la etapa al llenar la cavidad por completo.

Compensación: El material empieza a enfriarse dentro del molde. Como consecuencia sufre una contracción de su masa. Para compensar esta contracción se aplica una pospresión de valor un 30-60% la de inyección. Valores altos de pospresión generan piezas con una contracción baja pero con altas tensiones internas.

Tiempo de enfriamiento: Concluida la fase de inyección la pieza tiene que enfriarse en el molde hasta estar completamente solidificada. En esta fase el tiempo es el parámetro decisivo. Se deberá mantener la pieza en el molde el tiempo necesario para que se solidifique por completo y pueda ser extraída correctamente pero con precaución de no dejar la pieza demasiado tiempo enfriando pues retrasaría y encarecería el proceso.

Apertura del molde: Para extraer la pieza solidificada se debe abrir el molde. La velocidad de apertura es importante en esta fase. El molde debe abrirse a una velocidad baja para no dañar la pieza. Cuando la pieza ya este fuera del molde se aumentará la velocidad de retirada.

Expulsión y desmoldeo: Normalmente la pieza necesita ayuda para ser extraída del molde. En el molde suelen incorporarse unos punzones extractores que empujan la pieza hacia fuera para ayudar al desmoldeo. Las zonas donde presionan estos punzones tienen que estar correctamente diseñadas puesto que pueden dejar marcas en la pieza. Deberán ser zonas sin responsabilidad geométrica. Se debe controlar la fuerza con la que los punzones empujan a la pieza fuera del molde. Una vez concluida esta fase se repite el ciclo para obtener otra nueva pieza [8].

Habrá que estudiar el diseño del cigüeñal para fijar los parámetros que aseguren una correcta ejecución del ciclo de inyección de la pieza. Con los parámetros establecidos se podrá buscar la máquina adecuada para la fabricación del cigüeñal.

• Parámetros de temperatura: Vienen fijados por el tipo de polímero que se va a inyectar. En la aplicación estudiada el polímero es PET reforzado con un 50% de fibra de vidrio. Para este polímero los datos de temperatura en todas las fases recomendados por el fabricante DSM son los indicados en la Tabla 8.


Temperatura en las distintas partes de la máquina de inyección (o C)

Brida Zona dosificación

Zona compresión

Zona medición Boquilla Molde

PET 50% GF 80 - 100 280 - 300 290 - 310 300 - 320 280 - 310 100 - 110

Tabla 8. Parámetros de temperatura necesarios para la inyección de PET 50% GF.

• Parámetros de presión: El único parámetro de presión que proporciona el fabricante es el de inyección en el molde. Aconseja que la presión esté comprendida en el rango de 35-125 bar. Para la fabricación del cigüeñal se requerirá una presión media- alta para asegurar el llenado completo y rápido de todo el molde sin que se produzcan grandes diferencias de solidificación entre las partes de la pieza. Como pospresión se recomienda tomar un 50% de la presión de inyección para controlar tanto la contracción excesiva del material como la generación de tensiones internas en la pieza. Como contrapresión de plastificación se recomienda tomar valores de 50-100 bar para asegurar la consistencia y homogeneidad del material.

• Fuerza de cerrado del molde: Depende del material que se inyecte y del área proyectada del molde. Para PET se sugiere de 0,62 a 0,93 toneladas por centímetro cuadrado de área proyectada. Para el cigüeñal el área proyectada es de aproximadamente 10,2 cm2 luego la fuerza necesaria será de 6,32 a 9,49 toneladas, o lo que es igual, de 62 a 93 KN [9].

• Parámetros de tiempo: El tiempo es una variable muy importante en el resultado final de la pieza. También influye en el coste final de la pieza, pues cuanto más largo sea el ciclo mayor coste final por funcionamiento de la máquina tendrá que imputarse al coste de la pieza. Optimizar la duración de cada fase del ciclo de inyección es crucial para obtener una pieza de calidad sin incurrir en gastos innecesarios. La obtención de los tiempos óptimos solo puede conseguirse con prueba error. A continuación se estiman unos tiempos orientativos que ayudarán a dimensionar el proceso.

- Tiempo de inyección: 4 segundos. - Tiempo de pospresión: Se recomiendan 5 segundos por cada 1,5 mm de espesor de la pieza.

El espesor máximo del cigüeñal (sección máxima del eje) es de 27mm luego el tiempo total de pospresión será de 90 segundos.


- Tiempo de enfriamiento: Se recomiendan 10 segundos por cada 1,5 mm de espesor. Con 27 mm de espesor máximo el tiempo total de enfriamiento queda en 180 segundos.

- Tiempo de abertura del molde: Debe hacerse a baja velocidad para no dañar la pieza. Se estima en 3 segundos.

- Tiempos restantes: Se debe considerar el tiempo de cierre del molde que se realizará simultáneamente con el de avance de colada por el tornillo. Se estima en 4 segundos

- Tiempo TOTAL del ciclo: Sumando todas las estimaciones hechas anteriormente se obtiene un tiempo total de 281 segundos = 4,683 minutos.

Todos estos valores son orientativos, los valores óptimos solo pueden alcanzarse haciendo ensayos en la máquina hasta comprobar que la pieza sale sin ningún defecto.

NOTA: Para asegurar la correcta fabricación de la pieza asi como sus propiedades finales el PET ha de secarse antes de ser fundido e inyectado. El secado del PET debe hacerse en un deshumidificador que puede ser adquirido a parte o puede estar integrado en la máquina. Está máquina consiste someter a los gránulos de polímero a una corriente de aire seco caliente que arrastra la humedad contenida en él. El fabricante recomienda secar el PET 50% GF durante unas 2-4 horas a 120 grados hasta conseguir un nivel de humedad del 0.02%.

Después de examinar el mercado se elige la máquina ENGEL Victory 80/25 HL. Las especificaciones de la máquina se indican en la Tabla 9.

La máquina de inyección elegida tiene un precio de 75.000 euros. Se supone que una vez se implante el sistema de producción del cigüeñal en la cadena de producción, la máquina comenzara a realizar cigüeñales hasta el final de su vida útil, luego será amortizada sin problemas.

Máquina ENGEL Victory 80/ 25 HL Unidad de inyección

Peso 1,8 toneladas Longitud 2,72 metros Altura 1,76 metros Potencia de inyección 5,5 kW Potencia total 15 kW Toma a corriente 21 A Capacidad de inyección 25 cm3

Ratio de inyección 40 cm3/s

Presión de inyección máxima 2200 bar Potencia de aporte de calor 5,3 kW

Unidad de cierre Fuerza de cierre 250 kN Altura óptima del molde 150 mm Dimensiones placa de fijado del molde 470x380 mm Fuerza de expulsión 22,6 kN

Tabla 9.Especificaciones de la máquina elegida.


Figura 55. Plano de la máquina de inyección ENGEL Victory 80/25 HL. Cortesía de Engel Global corp.

4.3. Conclusiones.

En la ejecución de este proyecto se han analizado todas las áreas susceptibles de mejora que se enunciaban cuando se comentaba el propósito del proyecto. Con todos los datos extraídos de los diferentes análisis solo queda extraer las conclusiones a las que se ha llegado. El objetivo del proyecto era diseñar un motor de motocicleta monocilíndrico de 50 c.c. y sustituir el acero del cigüeñal por otro material que ofreciese una alternativa más eficiente tanto económicamente como en términos de rendimiento general del conjunto. Con este fin se han estudiado los diferentes factores mencionados, obteniendo siempre resultados factibles que revelan que la aplicación práctica del proyecto es posible. Ha de tenerse en cuenta que todos los ámbitos tratados se han analizado desde un punto de vista teórico y de simulación. Los resultados no serán del todo contrastados hasta que se realicen prototipos del motor y se prueben en condiciones de trabajo para determinar si ciertamente la propuesta del proyecto es viable. Aun así, después de observar los distintos resultados obtenidos, se extraen las conclusiones para cada objetivo desarrolladas en las líneas siguientes.

En el aspecto de rendimiento el objetivo perseguido era encontrar un material sustituto del acero AISI 4340, del cual se considera que estaba construido el cigüeñal original, que aligerara significativamente el peso a fin de mejorar ciertos aspectos del motor. El nuevo material tendría que soportar los esfuerzos mecánicos del cigüeñal y poseer unas propiedades mecánicas que lo hicieran válido para la aplicación. Desde un principio se decidió investigar en el mundo de los materiales polímeros y composites debido a los grandes avances en cuanto a síntesis de nuevos compuestos y potencial de estos materiales. Tras un estudio riguroso se obtuvo un material compuesto sustituto que cumplía todos los requisitos buscados, el tereftalato de polietileno reforzado en un 50% de fibra de vidrio. Este material después de estudiarlo resulta ser un sustituto perfecto para el acero en esta aplicación. El refuerzo con fibras de vidrio le confiere unas propiedades excelentes y su aportación a la matriz polimérica en forma de filamentos cortos permite que siga siendo moldeable por inyección.


Con este material se consigue un cigüeñal con una masa en vacío de unos 0,28 Kg, lo que es igual a un peso de 2,74 N. El cigüeñal original hecho de acero tiene una masa en vacío de 1,25 kg, lo que le confiere un peso de 12,2 N. Analizando estos resultados puede verse que con el nuevo material se construye un cigüeñal cuatro veces más ligero que el original. En términos de rendimiento se traduce en una reducción muy significativa de la inercia del tren alternativo del motor que lleva a un mejor aprovechamiento de la energía extraída del combustible quemado. Otra ventaja del uso de un material polimérico y de su proceso de conformado es que puede modificarse, como se ha hecho, el diseño original introduciendo formas complejas que ayuden a soportar mejor los esfuerzos sufridos evitando concentraciones de tensión en secciones concretas. La optimización del diseño se hace sin sobrecoste alguno puesto que no supone una fase adicional al proceso. El objetivo propuesto en el ámbito de funcionamiento queda cumplido. Además el uso de un material compuesto polimérico aporta otras ventajas como la absorción de ruido y una manipulación más fácil de la pieza a la hora del montaje o sustitución. Ahora bien, uno de los puntos que queda falto de un estudio más profundo es el comportamiento del nuevo cigüeñal a fatiga. Por los datos recopilados se llega a la conclusión de que el cigüeñal aguantará un gran número de ciclos, aunque no se sabe con certeza la vida exacta de la pieza. La anisotropía de las propiedades de los materiales compuestos junto con su reciente aparición hace que no existan hasta la fecha estudios concluyentes en este tema. La única forma de extraer conclusiones válidas en este aspecto mediante la práctica y eso queda fuera del alcance de este proyecto.

Mención aparte merece el apartado del comportamiento térmico de la pieza. En el estudio del cigüeñal sólo se ha considerado como relevante que el PET 50% GF tuviese una temperatura de servicio (de transición vítrea) superior a 150 oC. EL fabricante DSM asegura que la máxima temperatura de servicio del material es de 200 oC. Sin embargo advierte que el material empieza a ver reducidas sus propiedades cuando la temperatura de servicio supera los 140 oC. En este proyecto se ha considerado que la temperatura máxima de 150 oC supuesta en el cárter es un dato orientativo. Por tanto se asume que el material elegido resiste las solicitaciones de temperatura de la aplicación estudiada. En caso de ser necesario se podría extender hasta el cárter el sistema de refrigeración por agua que se ha supuesto para el motor y así poder controlar la temperatura de servicio del cigüeñal.

Otro de los objetivos importantes marcados por el proyecto es que el nuevo material aportase una alternativa de menor coste que la opción original. El análisis económico del proyecto se ha realizado en documento III. Los resultados obtenidos son muy buenos. Gracias al método de inyección de plásticos mediante el que se fabrica el nuevo cigüeñal, los costes de fabricación de este se ven notablemente reducidos. Para fabricar el cigüeñal original se necesitaban muchos procesos intermedios hasta conseguir el cigüeñal acabado. El acero se tenía que someter a un proceso de forja para más tarde pasar por un proceso de mecanizado y posteriormente un proceso de rectificado para conseguir las tolerancias requeridas. Tanto la cantidad de máquinas utilizadas en el proceso como la gran cantidad de energía que consumen y los operarios necesarios para manejar y controlar todo el proceso derivan en unos costes que suponen casi el 60% del coste de fabricación. Gracias al método de inyección la nueva pieza puede obtenerse en una fase completamente terminada. La simplicidad del proceso hace que también se ahorre en el personal encargado de su ejecución y control. Basta con ver la diferencia de precio de venta final que se obtiene para ambos cigüeñales. Si un cigüeñal de acero vale en el mercado 64,54 euros, para sacar el mismo beneficio el precio de venta del nuevo


cigüeñal fabricado con PET 50% GF es de tan solo 19,78 euros, lo que hace una diferencia de 44,76 euros . Esa diferencia expresa el sobrecoste generado por los métodos de conformado del acero, que superan incluso la diferencia en precio del material base a granel. El acero a granel vale unos 0,45 euros el kilogramo mientras que el PET 50% GF cuesta 2,7 euros el kilogramo. Esta gran diferencia se ve totalmente neutralizada debido a la enorme influencia que tiene el procesado de la materia prima en el coste final de una pieza. En el ámbito económico puede decirse también que el objetivo se ha cumplido. La misma incertidumbre con la duración del nuevo cigüeñal influye aquí, ya que no se sabe con certeza si el nuevo cigüeñal tendrá una vida útil igual que la del de acero. Con el margen de precio obtenido puede permitirse un consumo de tres cigüeñales del nuevo material para igualar la vida útil del cigüeñal de acero y seguir sacando rentabilidad de la alternativa. Si este fuera el caso y por cada periodo de vida de un cigüeñal de acero se tuviesen que consumir tres de PET 50% GF, el cambio de cigüeñal sería mucho más sencillo gracias al poco peso de las piezas.

Como se ha comentado, todos los objetivos marcados en un principio se han logrado de forma teórica. Para saber la eficacia real del proyecto se necesita un estudio práctico de la alternativa propuesta.

Planos 75

DOCUMENTO II:

PLANOS

Planos 76

Planos 77

1. Plano pistón

Planos 78

Planos 79

2. Plano biela.

Planos 80

Planos 81

3. Plano semicigüeñal izquierdo.

Planos 82

Planos 83

4. Plano semicigüeñal derecho.

Planos 84

Planos 85

5. Plano nuevo diseño semicigüeñal izquierdo.

Planos 86

Planos 87

6. Plano nuevo diseño semicigüeñal derecho.

Planos 88

Presupuesto 89

DOCUMENTO III:

PRESUPUESTO

Presupuesto 90

Presupuesto 91

1. Introducción.

En este documento se procede a calcular el presupuesto industrial para la fabricación del cigüeñal hecho de polímero PET reforzado en un 50% con fibra de vidrio. El coste de la pieza se calculará de forma sencilla para dar una idea de todos los gastos en los que se incurre a la hora de fabricar el elemento y cuál puede ser un buen precio de venta final del producto. El precio de venta se comparará con el precio actual de un cigüeñal de las mismas características hecho de acero con el fin de exponer las ventajas económicas que tiene fabricar la pieza con el nuevo material. Los principales costes en el proceso de fabricación se irán diferenciando en apartados para hacer más fácil su distinción así como el análisis de los distintos factores que revierten en un ahorro en la fabricación de la pieza.

Antes de empezar a calcular cualquier tipo de coste se debe tener una visión general del proceso de fabricación del cigüeñal dentro de la empresa. Para la fabricación de la pieza se debe habilitar un puesto dentro de la misma que consta su respectiva maquinaria así como de su personal específico. El personal estará trabajando durante la jornada establecida en su puesto de trabajo. Tanto el trabajo del operario como el uso de la máquina suponen un coste importante que influye de gran manera en el precio final del producto. Por lo tanto el tiempo es una variable fundamental para poder calcular el coste que supone para la empresa el trabajo en ese puesto. Con el fin de poder calcular con la mayor exactitud posible los costes del proceso se suponen los días hábiles de trabajo al año en los que el puesto estará funcionando (Tabla 10).También se supone, ayudándose de la legislación laboral existente, que el puesto de trabajo es ocupado en una jornada laboral de ocho horas en un único turno.

DÍAS DE TRABAJO Días naturales 365 Domingos 52 Vacaciones y fiestas 36 Enfermedad 19 Licencias 7 Días reales 251 Horas jornada laboral 8 Horas hábiles año 2008

Tabla 10.Días/horas anuales hábiles de trabajo.

Se obtiene una cifra de 2008 horas hábiles de trabajo al año en el puesto dedicado a la fabricación del cigüeñal. Este resultado será fundamental para calcular los demás costes. En los siguientes apartados se detallan los costes principales que afectan al precio final de la pieza.

Presupuesto 92

2. Costes de material.

La innovación principal de este proyecto es el uso de tereftalato de polietileno reforzado al 50% de fibra de vidrio para la fabricación de un cigüeñal de un motor común de 50 c.c. La base del coste de cualquier pieza es cuánto cuesta la materia prima de la que está formada. El proveedor de material que se eligió fue la empresa DSM. Tras ponerse en contacto con los comerciales de DSM el precio fijado del material fue de 2,73 €/Kg. Para calcular el precio de material empleado en fabricar cada parte del cigüeñal hace falta saber su peso. El peso puede obtenerse fácilmente del informa de simulación del diseño final del cigüeñal, adjunto en los anexos. La Tabla 10 refleja los costes en material de cada pieza que va a fabricarse.

PRECIO MATERIAL SEMICIGÜEÑAL IZQUIERDO

MATERIAL PESO PIEZA (Kg) PRECIO

€/Kg TOTAL (€) PET 50% GF 0,127 2,73 0,347

PRECIO MATERIAL SEMICIGÜEÑAL DERECHO

MATERIAL PESO PIEZA (Kg) PRECIO

€/Kg TOTAL (€) PET 50% GF 0,138 2,73 0,377

Tabla 11. Coste unitario del material necesario invertido en fabricar cada parte del cigüeñal por inyección.

3. Coste de personal.

Otro coste importante del cual debe añadirse un porcentaje al precio final de la pieza es el jornal del operario que va a ejecutar y controlar el proceso de fabricación. Antes de calcular el jornal que se debe asignar hay que determinar el grado de cualificación del operario así como el número de operarios que son necesarios para controlar el puesto. La máquina de inyección elegida para fabricar los cigüeñales (ENGEL Victory 80/25 HL) tiene un grado de automatización del proceso de inyección bastante elevado. El operario encargado de la máquina solo tiene que introducir los parámetros de inyección y controlar que le proceso se desarrolla con normalidad. Debe estar capacitado para resolver cualquier problema que surja a lo largo del proceso. Con lo cual debe tener amplios conocimientos de la máquina así como de los parámetros involucrados y un criterio específico para evaluar la calidad de las piezas a priori y modificar el parámetro adecuado si se encontrasen defectos. Todos los conocimientos citados hacen que para el puesto de trabajo, y según determina el convenio establecido por comisiones obreras a cerca de las categorías laborales tradicionales de un

Presupuesto 93

taller de producción, un oficial de primera sea la formación necesaria. El Gracias al alto nivel de automatización anteriormente citado bastará con un solo oficial de primera, a parte del técnico de mantenimiento respectivo que se tendrá en cuenta en la evaluación de costes de la máquina. El salario base de un oficial de primera para el desempeño de las funciones requeridas por el puesto descrito y demás complementos salariales se indican en la Tabla 11. Después de los cálculos pertinentes se obtienen los gastos de personal que se imputarán según norma al coste final del producto.

TABLA SALARIAL

CONCEPTO OFICIAL 1ª

Salario base día (€) 250 Plus día (€) 100

Salario día (€) 350 Remuneración anual (€) 87850 Jornada laboral (h/día) 8

Jornal (€/h) 31,25

Tabla 12. Tabla salarial del operario encargado de la gestión del puesto de inyección del cigüeñal.

4. Coste del puesto de trabajo.

Otro coste muy relevante que debe tenerse muy presente a la hora de calcular el gasto de producción de la pieza es coste del puesto de trabajo. Se refiere al gasto que surge de tener operativo el puesto de trabajo en términos de energía, inversión en maquinaria amortizada según el real decreto que lo regula, gastos de mantenimiento, etc. El precio de la máquina que se ha decidido adquirir se obtiene pidiendo información al vendedor del producto: la empresa ENGEL. El precio facilitado fueron 75.000 euros. En adición al precio de la máquina debe tenerse en cuenta el precio del molde necesario para obtener la pieza deseada por inyección. A fin de simplificar cálculos de amortizaciones se considera que se adquiere una máquina para fabricar cada una de las partes del cigüeñal. Cada máquina tendrá su molde correspondiente. El molde se hace por encargo, puesto que se necesita un molde personalizado que se adecúe a la forma exacta de la pieza que se desea obtener. Este requisito encarece el precio del molde. La ventaja de utilizar polímeros inyectados es que desgastan muy poco el molde, prolongando así su vida útil. Un fabricante de moldes con el que se ha consultado presupuesta el molde en 10.000 euros.

Se considera que las máquinas van a utilizarse para una producción en serie de los múltiples pedidos de cigüeñales que reciba la fábrica y por tanto no se va a amortizar ni la máquina ni el molde por pedido sino por el periodo que dicta el Real Decreto 1777/2004, el cual regula este área. Según él, la maquinaria industrial debe amortizarse a 10 años. Para amortizar el molde se considera el mismo periodo de tiempo. Se fija el interés de estas inversiones al 3%. Se toma como precio de la energía 0,15 euros el kW/h. Con todo esto se obtiene el coste del puesto de trabajo indicado en la Tabla 12.

Presupuesto 94

COSTE PUESTO DE TRABAJO

PRECIO MÁQUINA (€) 75000

PRECIO MOLDE (€) 10000

AMORTIZACIÓN MÁQUINA (AÑOS) 10

FUNCIONAMIENTO (h/AÑO) 2008

POTENCIA (kW) 15

VIDA PREVISTA (h) 30120

AMORTIZACIÓN MOLDE (AÑOS) 10

COSTE PUESTO TRABAJO (€/h)

INTERÉS 0,03

AMORTIZACIÓN 4,360 MANTENIMIENTO 1,494 ENERGÍA (€ kW/h) 2,25

TOTAL, f 8,10

Tabla 13. Cálculo del coste del puesto de inyección del cigüeñal.

Como dato de interés se calcula la producción anual de cada pieza del cigüeñal con vistas a saber la demanda máxima que puede ser cubierta por la fábrica. La Tabla 13 muestra los cálculos obtenidos.

Tabla 14. Producción anual de cada parte del cigüeñal.

DATOS DE PRODUCCIÓN DE LA MÁQUINA

PIEZA TIEMPO UNITARIO DE FABRICACIÓN (h)

RENDIMIENTO MÁQUINA

Nº PIEZAS POR JORNADA LABORAL

Nº PIEZAS POR AÑO

semicigüeñal izquierdo 0,078 80% 82 20580

semicigüeñal derecho 0,075 80% 85 21419

Presupuesto 95

5. Presupuesto industrial final.

Para tener a mano todos los costes que van a influir en el cálculo del precio de venta final del cigüeñal se recopilan en la Tabla 14 todos los datos de fabricación. Tomando como referencia que el número de ciclomotores del modelo Jog RR del fabricante Yamaha vendido en España al año ronda las 1.000 unidades, se supone que un fabricante quiere implantar los nuevos cigüeñales en su modelo y pide una partida de 1.000 cigüeñales a la fábrica. Se calculará el presupuesto para dicha partida [10].

Con las variables calculadas ya se puede pasar a deducir el presupuesto de cada parte del cigüeñal incluida en el lote de 1.000 unidades. En la Tabla 15 se indica el precio de venta calculado para la pieza izquierda del cigüeñal y en la Tabla 16 el de la pieza derecha.

PRESUPUESTO INDUSTRIAL

Proyecto: Fabricación de 1000 cigüeñales Autor: Francisco Herrera García Fecha: 28 de Junio de 2014 Pedido: 1000 Pieza izquierda

Concepto Descripción Unidades(€)

Coste de Fabricación, Cf Mano de Obra Directa 2.343,75 €

3.298,27 € Material 346,710 € Puesto de trabajo 607,81 €

Mano de Obra Indirecta M.O.I. 878,91 € Cargas Sociales C.S. 1.208,50 €

Gastos Generales G.G. 1.101,56 € Costo en fábrica cf = Cf + M.O.I.+ C.S. + G.G. 6.487,23 €

Beneficio Industrial Bº.I.=(12%)*cf 778,47 €

Precio de venta en fábrica Del pedido pv=cf+B.I 7.265,70 €

Unitario pvu=pv/P 7,27 €

pvp=pvu+IVA(21%) 8,79 €

Tabla 16. Presupuesto industrial de la pieza izquierda del cigüeñal.

DATOS DE FABRICACIÓN

PIEZA Nº PIEZAS PEDIDO

TIEMPO DE FABRICACIÓN

(h)

JORNAL (€/h) f (€/h)

COSTE MATERIAL

(€)

MANO OBRA DIRECTA

(€)

PUESTO DE TRABAJO

(€)

semicigüeñal derecho 1000 0,078 31,25 8,10 0,347 2,439 0,633

semicigüeñal izquierdo 1000 0,075 31,25 8,10 0,377 2,344 0,608

Tabla 15. Datos de fabricación de una partida de 1.000 cigüeñales pedidos por un cliente.

Presupuesto 96

Tabla 17. Presupuesto industrial de la pieza derecha del cigüeñal.

Los costes de personal son considerados mano de obra directa se suman a los costes de material y los costes del puesto de trabajo para obtener el coste base de fabricación de la pieza. Los siguientes datos se calculan según porcentajes fijados por la dirección de la empresa. Para el cálculo de la mano de obra indirecta la dirección fija un 37,5 % sobre la mano de obra directa. Para los gastos de cargas sociales la empresa fija un 37,5 % sobre la mano de obra total. Para los gastos generales se considera un 40 % sobre la mano de obra directa. Los costes de fábrica se calculan sumando todos los anteriores. A este coste se le debe añadir el beneficio que la empresa desea obtener con la venta del lote. La dirección fija para el lote un beneficio del 12%. El precio de venta en fábrica por tanto será el costo de fábrica más el porcentaje de beneficio y añadiéndole el impuesto sobre el valor añadido obligado por ley.

El precio total del cigüeñal se calcula sumando los precios de venta de las dos partes del cigüeñal más el coste que supone adquirir el bulón a un proveedor. Se ha considerado que el bulón se adquiera en vez de fabricarse puesto que la fabricación de este saldría más cara y no compensaría. Un bulón es una pieza simple que puede encargarse a muchos proveedores a buen precio. Además así pueden probarse diferentes combinaciones de material en el bulón en caso de querer conferir mejores propiedades al conjunto según requiera el cliente. Con todo esto el precio final del cigüeñal se indica en la Tabla 17. El precio total final del pedido asciende a diecinuevemil setecientos setenta y siete euros con setenta y dos céntimos. El precio por unidad corresponde a diecinueve euros con setenta y ocho céntimos.

PRESUPUESTO INDUSTRIAL

Proyecto: Fabricación de 1000 cigüeñales Autor: Francisco Herrera García Fecha: 28 de Junio de 2014 Pedido: 1000 Pieza derecha

Concepto Descripción Unidades(€)

Coste de Fabricación, Cf Mano de Obra Directa 2.439,24 €

3.448,54 € Material 376,740 € Puesto de trabajo 632,57 €

Mano de Obra Indirecta M.O.I. 914,71 € Cargas Sociales C.S 1.257,73 €

Gastos Generales G.G 1.146,44 € Costo en fábrica cf = Cf + M.O.I.+ C.S + G.G 6.767,43 €

Beneficio Industrial Bº.I.=(12%)*cf 812,09 €

Precio de venta en fábrica Del pedido pv=cf+B.I 7.579,52 €

Unitario pvu=pv/P 7,58 €

pvp=pvu+IVA(21%) 9,17 €

Presupuesto 97

Tabla 18. Precio de venta total final del conjunto del cigüeñal.

6. Conclusiones.

El precio del conjunto del cigüeñal obtenido aporta una información muy positiva en cuanto a los resultados económicos del proyecto. El precio unitario final obtenido es de 19,78 euros por cigüeñal. Sin duda es un precio muy competitivo, sobre todo si lo comparamos con el precio de un cigüeñal de acero corriente que se ofrecen en el mercado a día de hoy. Con el fin de mostrar el potencial de todo el proceso de fabricación de un cigüeñal se procede a comparar los precios de venta de ambas tecnologías.

Siguiendo con la comparativa con el modelo Jog RR de Yamaha, se utiliza como ejemplo un cigüeñal suyo para compararlo con el diseñado en este proyecto. El repuesto del cigüeñal del ciclomotor Yamaha Jog RR elegido es fabricado por la empresa Minarelli. La empresa comercializa el motor ya ensamblado y con la biela colocada en su lugar. El precio de todo el conjunto es de 103,48 euros según la página web de recambios easyparts.com [11]. El mismo fabricante facilita el precio de la biela que monta el conjunto, que es de 38,94 euros [12] . Para obtener el precio del conjunto del cigüeñal real basta con sustraer al precio anterior el precio de la biela. El resultado del precio del cigüeñal es de 64,54 euros.

La comparativa de precios tiene lugar entre los 64,54 euros que cuesta un cigüeñal de acero Minarelli con los 19,78 euros que cuesta el cigüeñal diseñado hecho de PET 50% GF. Puede observarse que el nuevo cigüeñal es 44,76 euros más barato que el cigüeñal tradicional de acero. Éste es un ahorro de costes de fabricación muy importante del que puede deducirse fácilmente su origen si se observan los gastos del proceso. El acero actualmente tiene un precio de mercado de aproximadamente 0,5 €/Kg comprado a granel. El precio del material es mucho más barato que el del PET usado en el nuevo cigüeñal. Es en el proceso de conformado del cigüeñal de acero donde su precio se dispara. Si

PRECIO DE VENTA TOTAL

Precio de pieza

semicigüeñal izquierdo 7,27 € semicigüeñal derecho 7,58 €

bulón ( subcontratado) 1,50 €

Precio TOTAL del conjunto

unitario 16,35 €

del pedido 16.345,22 €

Precio de venta TOTAL del conjunto (+ IVA)

unitario 19,78 €

del pedido 19.777,72 €

Presupuesto 98

comparamos los procesos de fabricación, el nuevo cigüeñal diseñado sólo cuenta con una fase de fabricación que es la de inyección. El producto sale terminado y con unos costes moderados de trabajo de la máquina. Sin embargo, en la producción de cigüeñales de acero se necesitan como mínimo tres fases para conseguir la pieza terminada. El bloque de acero primero ha de pasar por una máquina de forjado que le otorgue una preforma inicial. La presión necesaria para moldear un bloque de acero que previamente ha tenido que ser calentado supone un gasto en energía enorme. Después del forjado la pieza pasa al centro de torneado. En él se elimina el material sobrante y se ajustan las tolerancias. La potencia necesaria para mecanizar el hacer hace que el coste vuelva a subir, por no mencionar el tiempo que se consume tanto en el tratado de la pieza como en el paso de una fase a otra. Y por último para las superficies con mayor exigencia dimensional la pieza debe introducirse en un a rectificadora que consiga las tolerancias que no han podido lograrse en el centro de mecanizado. El paso del producto por tantas fases trae consigo un sobrecoste al tener que utilizar tres máquinas distintas para obtener el producto terminado. Con el planteamiento de este proyecto solo se necesita una máquina para conseguir el proyecto terminado. En el siguiente gráfico se compara el porcentaje de coste de puesto de trabajo que influye en el precio final de cada cigüeñal.

32%

5% 8%

12%

17%

15%

11%

Reparto de porcentajes precio cigüeñal PET 50% GF

MOD

Material

Puesto de trabajo

MOI

Costes sociales

Gastos generales

beneficio

22%

1%

39%

8%

12%

11% 7%

Reparto de porcentajes precio cigüeñal acero

MOD

Material

Puesto de trabajo

MOI

Costes sociales

Gastos generales

beneficio

Presupuesto 99

El los gráficos anteriores puede observarse cómo el porcentaje de coste de puesto de trabajo que influye en el precio final de un cigüeñal hecho de acero es mucho mayor que en el de un cigüeñal hecho de polímero inyectable. El gran coste provocado por las múltiples máquinas por las que tiene que pasar el cigüeñal de acero hasta terminar su fabricación en el causante de su alto precio. Y como hasta la fecha no se ha descubierto una forma más barata de conformar el acero, la alternativa es apostar por nuevos materiales con procesos de conformado mucho menos costosos y más eficientes. Queda demostrado así el potencial de la tecnología de los polímeros y de su proceso de fabricación a la hora de sustituir los costosos procesos tradicionales de tratado de materiales. El ahorro de costes es muy significativo a la hora de tratar con materiales polímeros, la clave de su utilización se encuentra en el desarrollo de sus propiedades mecánicas de tal manera que los hagan ser capaces de sustituir al acero cada vez en más aplicaciones.

Presupuesto 100

Pliego de condiciones 101

DOCUMENTO IV:

PLIEGO DE CONDICIONES


1. PLIEGO DE CONDICIONES GENERALES Y ECONÓMICAS

1.1 Normativa aplicada En este apartado se hace mención a las normas, reglamentos y leyes de carácter general que

son aplicables a la ejecución del proyecto indicando en cada caso su procedencia y ámbito de

aplicación.

El diseño del motor consta de ciertos elementos normalizados, así como normas que rigen partes del

diseño de los elementos no normalizados. A continuación se facilitan las todas las normas utilizadas

en la ejecución del proyecto.

Dimensiones normalizadas:

Norma DIN 1448: Establece las dimensiones del extremo de eje cónico e impone las dimensiones de la lengüeta que se debe de utilizar en el eje.

Norma DIN 5463: Establece las dimensiones del eje nervado. El extremo den eje va roscado con M10.

Norma DIN 6885: Establece las dimensiones de la lengüeta que va alojada en el chavetero del eje cónico.

Elementos normalizados:

Norma DIN 472: Establece las dimensiones de los anillos de seguridad utilizados universalmente para el montaje axial en ranuras internas. Puede transmitir cargas axiales considerables entre el elemento y la máquina que ejerce la fuerza y la ranura sobre la cual ve montado el anillo.

Norma DIN 5417: Establece las dimensiones de los anillos o segmentos utilizados para retención.

Norma DIN 5405-1/ISO 3030: Establece las dimensiones de los rodamientos de agujas (diámetro interior, diámetro exterior y anchura).

Norma DIN 7603: Recoge las dimensiones de las distintas arandelas utilizadas para el sellado.


ISO 2768 fH: Establece las tolerancias generales para cotas geométricas sin indicación individual de tolerancia (acabado fino).

1.2 Responsabilidades contractuales

1.2.1 Objeto del contrato Este pliego tiene por objeto ordenar las condiciones facultativas que han de regir la construcción,

venta, recepción, instalación y verificación del útil de sujeción y todos sus accesorios, de forma que

se ajusten a las especificaciones expuestas en la memoria.

1.2.2 Plazo de entrega Se fija un período de 10 a 12 meses contados a partir de la aceptación en firme del pedido por la

parte redactante, una vez consideradas las particularidades efectuadas por el cliente.

1.2.3 Demoras en la entrega Si por razones no concertadas previamente con el cliente, existiera una demora mayor de 15 días en

la entrega del producto, el cliente tendrá derecho a una compensación del 15% del valor del envío

por cada día transcurrido.

1.2.4 Garantía de calidad El producto fabricado tiene una garantía de dos años o de 20.000 km de funcionamiento, a partir de

la fecha de entrega y puesta en marcha del motor.

Si hubiera avería por causas ajenas al motor, así como un mal uso, fuera de las premisas establecidas

por el fabricante, éste no se hará responsable de dichos deterioros.

Si, por el contrario, la avería fuese producida por cualquier mecanismo o pieza por mal

funcionamiento o diseño, el fabricante correría con los gastos ocasionados hasta la total reparación.

1.2.5 Piezas de repuesto El fabricante mantendrá el suministro como mínimo durante los 7 años siguientes a la finalización de

la producción, previo aviso al cliente de la terminación de la misma.

La entrega de los repuestos se efectuará en un plazo máximo de 15 días después de la demanda

fehaciente del cliente siempre que el útil esté produciéndose y en el plazo máximo de 1 mes después

de la finalización de dicho útil.


1.3 Condiciones económicas

1.3.1 Precio del cigüeñal Una vez realizadas todas las operaciones y cálculos pertinentes, el precio del pedido de cigüeñales

realizado por el cliente asciende a:

# 19.777,72 € #. Diecinueve mil setecientos setenta y siete euros con setenta y dos céntimos.

1.3.2 Plazo de validez La validez de la oferta será de 10 meses contados a partir del día siguiente a la comunicación del

presente pliego de condiciones.

1.3.3 Forma de pago El pago se efectuará de la siguiente forma:

1) Se pagará el 25% del valor total del útil de sujeción en el momento de la firma del contrato.

2) El cliente pagará el 75% restante a la entrega y puesta en marcha del plato pivotante.

1.3.5 Demoras en los pagos El comprador tendrá un plazo máximo para efectuar el pago de 10 días hábiles contados a partir de la

entrega del cigüeñal, incrementándose el precio del importe de dicho pago en un 10% por cada 30

días.

1.3.6 Tribunal competente Para cualquier litigio o discrepancia sobre las condiciones será admitido como competente los

Tribunales de Madrid, o en su defecto a los Tribunales donde la empresa suministradora tenga su

domicilio social.


2. PLIEGO DE CONDICIONES TÉCNICAS Y PARTICULARES

2.1 Datos técnicos

2.1.1 Materiales empleados A continuación se explican con detalle las principales características de los materiales empleados en

la fabricación del cigüeñal diseñado.

◊ Tereftalato de polietileno reforzado con fibra de vidrio

Material compuesto por una matriz de tereftalato de polietileno reforzado con un 50% de fibra de

vidrio. Material de coste reducido fácilmente moldeable por inyección. El refuerzo de fibra de vidrio

mejora las propiedades mecánicas del PET. Con él se fabrica el cigüeñal. Pu bajo precio sumado al

bajo precio de su procesado lo convierten en un material muy rentable para la fabricación de

cualquier tipo de pieza.

Entre sus propiedades mecánicas podemos destacar:

• Resistencia al desgaste: es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando está

en contacto de fricción con otro material.

• Tenacidad: es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin producir fisuras.

• Ligereza: Su densidad reducida hace que sea un material ligero.

• Bajo coeficiente de rozamiento: hace que se desgaste poco al rozar con otros elementos.

2.2 Montaje del producto

2.2.1 Preparación del montaje En el montaje de este conjunto deben realizarse los siguientes trabajos y revisiones previas:

• Montaje individual y completo de todos y cada uno de los subconjuntos.

• Revisión de todas las piezas a fin de detectar cualquier fallo o anomalía.

Anexos 107

DOCUMENTO V:

ANEXOS

Anexos 108

Anexos 109

1. Informe de simulación del diseño original del cigüeñal fabricado en acero AISI 4340.

Anexos 110

Anexos 141

2. Informe de simulación del diseño final del cigüeñal fabricado en PET 50% GF.

Anexos 142

Referencias bibliográficas 157

Referencias bibliográficas.

[1] H. l. A. Alba, «es.calameo.com,» 2013. [En línea]. [Último acceso: 12 Abril 2014].

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Referencias bibliográficas 158

proyecto tÉcnico-econÓmico de diseÑo de un motor de ... · fabricación de partes del bloque...

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