Diseño de un acumulador de energía cinética para sistema Start&Stop

PROJECTE FI DE CARRERA TÍTOL: Diseño de un acumulador de energía cinética para sistema Start&Stop AUTOR: Francisco Martínez López TITULACIÓ : Enginyeria Tècnica Industrial, especialitat Mecànica DIRECTOR : Albert Alentorn i Guixens DEPARTAMENT: Enginyeria Mecànica, 712 DATA: 01/2013 Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 2 Aquest Projecte té en compte aspectes mediambientals:   x Sí    No PROJECTE FI DE CARRERA RESUM (màxim 50 línies) Éste proyecto se enfoca en el desarrollo de un elemento mecánico capaz de aprovechar la energía cinética del motor de combustión de un vehículo, para realizar el funcionamiento del sistema Start&Stop de parada automática. Así pues, es un proyecto enfocado a la mejora del sistema Start&Stop original ya que éste cuenta con elementos muy perjudiciales para el medio ambiente y, a la vez, poco económicos (baterías y motores de arranque sobre-dimensionados). La parte central del diseño se basa en un nuevo tipo de almacenador de energía cinética, formado básicamente por un volante de inercia, diferente a todo lo estudiado anteriormente. Éste elemento, permite una recuperación de la energía cinética aportada por el motor térmico del vehículo durante el funcionamiento del mismo y permite obtener grandes reducciones en emisiones de gases contaminantes ya que, con el sistema Start&Stop, las reducciones de consumo de combustible en ciudad, puede ascender al 15%. Esto se logra gracias a un conjunto de elementos que son los encargados de transferir la energía necesaria la volante de inercia, para después poder realizar el arranque del motor térmico en situaciones de paradas tales como semáforos o trafico congestionado. Durante el tiempo de parada del vehículo, el motor de combustión del mismo no está en funcionamiento y así, se consiguen grandes reducciones de consumo de combustible, con las grandes ventajas que ello deriva. De esta manera se obtiene un sistema ideal para hacer paradas durante tráfico en las ciudades, reduciendo notablemente las emisiones de conducción en muchos segmentos de tráfico urbano y también ofrece la ventaja de no tener que contar con baterías sobredimensionadas que son las encargadas de realizar el aporte de energía al motor de arranque de los vehículos con el sistem Start&Stop original. En este proyecto se presentan las bases del funcionamiento del sistema Start&Stop y las consideraciones hechas para el diseño conceptual. El objetivo de este proyecto es llevar a cabo el diseño conceptual de un almacenador cinético para el almacenaje y reutilización de energía cinética en vehículos automotores. Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 3 Paraules clau (màxim 10): Start&Stop Almacenador cinético Volante de inercia Embrague Rueda libre Rodamientos Correa dentada Polea dentada Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 4 ÍNDICE 1. Memoria descriptiva 1.1. I NTRODUCCIÓN 7 1.2. O BJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO 8 1.3. D EFINICIONES Y ESPECIFICACIONES BÁSICAS 9 1.3.1. El sistema Start&Stop 9 1.3.2. Fabricantes y modelos 9 1.3.3. Preocupaciones 11 1.4. E STADO DEL ARTE 13 1.4.1. Breve historia de los sistemas motrices 13 1.4.2. Volantes de inercia usados en vehículos 16 1.5. E LEMENTOS DEL EQUIPO ALMACENADOR CINÉTICO 18 1.5.1. Volante de inercia 18 1.5.1.1. Momento de inercia de una distribución continua de masa 21 1.5.1.2. Momento de inercia de un cilindro 22 1.5.1.3. Optimización del volante de inercia 23 1.5.1.4. Tensiones en un disco macizo giratorio 26 1.5.1.5. Calculo del volante de inercia para diferentes materiales 30 1.5.1.5.1. Momento de inercia 30 1.5.1.5.2. Superficie del volante 31 1.5.1.5.3. Volumen del volante 31 1.5.1.5.4. Masa del volante 31 1.5.1.5.5. Resistencia mecánica máxima 31 1.5.1.5.6. Relación longitud-radio para un volante de inercia 32 1.5.2. Embrague 37 1.5.2.1. Tipos de embragues 37 1.5.2.1.1. El embrague hidráulico 37 1.5.2.1.2. El embrague electromagnético 38 1.5.2.1.3. El embrague de fricción 39 Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 5 1.5.2.2. Disposición en el equipo acumulador 42 1.5.2.3. Principio de funcionamiento 42 1.5.2.3.1. Ecuaciones de la dinámica-tiempo de sincronismo 43 1.5.2.4. Elección del tipo de embrague con análisis ‘KT’ 44 1.5.3. Rueda libre 48 1.5.3.1. Aplicaciones 49 1.5.3.1.1. Indexación 49 1.5.3.1.2. Anti retroceso 49 1.5.3.1.3. Rotación libre 50 1.5.3.2. Funcionamiento 50 1.5.3.3. Diagrama de momentos 51 1.5.4. Rodamientos 52 1.5.5. Correas y poleas dentadas 53 1.6. E SQUEMA DE FUNCIONAMIENTO 55 1.7. E VOLUCIÓN DEL DISEÑO 57 1.7.1. Energía necesaria para arrancar el motor térmico 57 1.7.2. Elección de las características del volante de inercia 57 1.7.3. Embrague actuador del arranque del motor de C.I. 59 1.7.4. Elección de las poleas y correas dentadas 60 1.7.4.1. Longitud de tramo de las correas 63 1.7.5. Rueda libre 64 1.7.6. Rodamientos 66 2. PRESUPUESTO 67 2.1. E STUDIO TÉCNICO 67 2.2. C OSTE DE LOS ELEMENTOS DEL EQUIPO ACUMULADOR 68 2.3. C OSTE APROXIMADO DEL MONTAJE 69 2.4. C OSTE TOTAL DEL ACUMULADOR CINÉTICO 70 3. CÁLCULOS 71 3.1. C ALCULO PARÁMETROS DEL VOLANTE INERCIA 71 Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 6 3.1.1. Factores a considerar para el diseño del volante 71 3.1.2. Diseño del volante 71 3.1.2.1. Energía que debe almacenar el volante acumulador 71 3.1.2.2. Dimensiones del volante acumulador 72 3.1.2.3. Comprobación de la resistencia mecánica máxima 73 3.2. C ÁLCULO DE RESISTENCIA DEL CONJUNTO EJE - VOLANTE 74 3.2.1. Material del eje 74 3.2.2. Cálculo del diámetro mínimo a torsión 74 3.2.3. Resistencia del material del eje-volante 74 3.2.4. Determinación diámetro mínimo a torsión 75 3.2.5. Diámetro mínimo seleccionado 75 4. ESTUDIO MEDIOAMBIENTAL 76 4.1. F ASE DE DISEÑO 76 4.2. F ASE DE FABRICACIÓN 76 4.3. I MPACTO DURANTE LA VIDA ÚTIL 77 4.4. F INAL DE LA VIDA ÚTIL 79 5. CONCLUSIONES 80 6. BIBLIOGRAFÍA 82 L IBROS 82 A RTÍCULOS 82 R ECURSOS WEB 83 Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 7 1. Memoria descriptiva 1.1. Introducción Éste proyecto está enfocado en el diseño de un elemento mecánico capaz de transformar la energía almacenada en un elemento propio de un vehículo, en arranque del motor de combustión del mismo en situaciones de paradas de poca duración de tiempo (similar al sistema Start&Stop que incorporan la mayoría de vehículos actuales). Es sabido que los vehículos que tienen este sistema son capaces de ahorrar hasta un 15% de combustible en conducción por ciudad, ya que en todas las paradas, su motor de combustión se detiene y, así, se ahorra el consumo innecesario del combustible tan contaminante y poco asequible a día de hoy. No todo son ventajas, puesto que este sistema depende de un motor de arranque mucho más reforzado y capacitado de realizar constantes arranques del motor de combustión a lo largo del día y, debido a esto, su precio es mucho más elevado (más del doble de un motor de arranque convencional). A su vez, la batería también debe ser de mayor capacidad y potencia con la consecuencia de que son baterías menos económicas, de mayor peso y con una consecuencia negativa para el medio ambiente. Se puede considerar que este proyecto tiene en cuenta aspectos medioambientales, por su intención del ahorro en combustible y la reutilización/reciclaje de energía cinética conseguida con el mismo. Con el diseño de este acumulador de energía cinética, se pretende evitar la necesidad de tener estos elementos de mayor valor económico y quizá, de menor duración y/o mayor mantenimiento, aprovechando la energía propia del motor térmico en momentos de movimiento del propio vehículo. Su funcionamiento se basa en el almacenamiento de energía cinética rotacional (volante de inercia o volante acumulador de energía cinética), alimentado a través del propio eje del cigüeñal, que posteriormente servirá para realizar el arranque del motor térmico sin hacer uso de elementos eléctricos. Éste proyecto se centrara exclusivamente en el diseño del elemento acumulador y arrancador. Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 8 1.2. Objetivos y justificación del proyecto El objetivo principal es el diseñar un elemento capaz de reutilizar la energía cinética del motor de un vehículo en energía limpia para realizar el arranque del propio motor térmico en situaciones de paradas cortas como semáforos o en situaciones de trafico congestionado. Otros objetivos que se tendrán en cuenta en este proyecto son: • Realizar el prototipo adecuándolo a un vehículo tipo ligero (Renault Clio 1.2 o similar) respetando las dimensiones y características mecánicas del mismo. • Conseguir un diseño con el mínimo de elementos posibles y que éstos sean comerciales, hecho que permite reducir costos y aporta facilidad de posible fabricación y soporte técnico de los propios fabricantes. • Realizar el diseño grafico en 2D. • Conseguir un diseño capaz de conseguir un ahorro importante de combustible en situaciones de conducción con paradas (conducción por ciudad). Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 9 1.3. Definiciones y especificaciones básicas 1.3.1. El sistema Start&Stop En los automóviles, un sistema start-stop o un sistema de parada y arranque automático, se basa en apagar automáticamente y reiniciar el arranque del motor de combustión interna para reducir la cantidad de tiempo que el motor está al ralentí, lo que reduce el consumo de combustible y las emisiones. Esto es muy ventajoso para los vehículos que pasan grandes cantidades de tiempo de espera en los semáforos o en los atascos. Esta característica está presente en los vehículos eléctricos híbridos, pero también ha aparecido en los vehículos que carecen de un sistema de propulsión eléctrica híbrida. Para vehículos no eléctricos (llamado micro-híbridos) las ganancias de economía de combustible de esta tecnología son típicamente en el intervalo del 8 a 15 por ciento. Puesto que los accesorios del automóvil, como los aires acondicionados y bombas de agua, han sido diseñados para funcionar de una correa de accesorios en el motor, los sistemas deben ser rediseñados para funcionar correctamente cuando el motor está apagado. Normalmente, un motor eléctrico se utiliza para alimentar estos dispositivos en su lugar. Esta tecnología también ha sido utilizada en los scooters de Honda Motor en los mercados asiáticos durante la última década. Su modelo PCX 125cc fue lanzado en 2010, que se vende en Europa con esta tecnología, aunque su modelo norteamericano no lo tienen. 1.3.2. Fabricantes y modelos Los dispositivos de este tipo se han probado desde mediados de 1970, cuando la corporación Toyota, equipada un sedán Crown, con un dispositivo electrónico que automáticamente apaga el motor después de estar sentado inmóvil durante 1,5 segundos. Las pruebas demostraron una mejora del 10% en economía de combustible en el tráfico de Tokio. Algunos de los vehículos más antiguos de producción que utilizaron esta tecnología fueron el Volkswagen Polo "Formel E" y Fiat Regata "ES", los modelos de la década de 1980. El Grupo Volkswagen también se adoptó con el Golf Ecomatic en 1994 y en el Volkswagen Lupo "3L" y el Audi A2 "3L" en 1999. A pesar de estas primeras implementaciones fueron considerados bastante desconcertantes por muchas razones, y por los altos precios no dieron a estos coches mucho éxito comercial, tanto en el Volkswagen Lupo y el Audi A2 (en su "3 litros") todavía mantienen el récord mundial de consumo de combustible más eficiente para vehículos de producción hasta la fecha de hoy. Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 16 Desde entonces los vehículos híbridos han sido poco a poco integrados en los catálogos de los fabricantes y ahora es común que cualquiera ofrezca, al menos, algún tipo de vehículo eléctrico o híbrido. Sin embargo, cabe señalar, todavía se está lejos de contar con una introducción masiva de ellos. 1.4.2. Volantes de inercia usados en vehículos Durante los últimos años, se han publicado muy pocos artículos científicos sobre la utilización de volantes de inercia en los vehículos. En particular, Liu (2007) ofrece una visión general de las principales ventajas del almacenamiento de energía en volantes de inercia. Dada la tecnología actual y potencial, este artículo prevé una opinión positiva sobre el uso del volante de inercia para el próximo siglo. En línea con esta idea, Shen (2006) presentó una propuesta para el uso de un sistema desarrollado por la Universidad de Eindhoven, mostrado en la Figura 8, en el que un volante de inercia mecánico se utiliza para proporcionar aceleración después de paradas. Se trata de un sistema queutiliza una caja de cambios planetarios en combinación con un volante de inercia con la intención de ahorrar el 10% de combustible durante la paralización de un vehículo. Este principio de la operación fue la base para el establecimiento de la compañía holandesa de las innovaciones de transmisión (DTI). Sistema híbrido desarrollado por la Universidad de Eindhoven (Shen 2006) Diego (2007) presenta un estudio desarrollado en el Imperial College, en Londres, de una transmisión basada en sistemas planetarios y un volante de inercia para almacenar energía (ver Figura 9). Muestra que el concepto es de beneficio, pero se indica que la transmisión CVT es un requerimiento todavía técnicamente no satisfecho. Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 17 Sistema híbrido desarrollado en el Imperial College (Diego 2007) Otras aplicaciones de vehículos pueden encontrarse en vehículos militares o portaaviones para cubrir cargas puntuales (Canders 2007a). Por lo que puede verse, las publicaciones en Europa y Estados Unidos apuntan al mejoramiento de la tecnología, de los métodos de fabricación y mejora de la seguridad y fiabilidad del sistema. Prácticamente no existen publicaciones en Asia, solamente se encuentra alguna aislada como (Takahata 2004). Este número tan bajo de artículos científicos sugiere que, a pesar de su potencial como sistema mecánico de almacenamiento de energía en los automóviles, el concepto del volante haya recibido muy poca atención de los investigadores durante los últimos años. Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 18 1.5. Elementos del equipo almacenador cinético 1.5.1. Volante de inercia Una de las tecnologías de almacenamiento de energía más prometedores y que ya están comercialmente establecidas son los volantes de inercia. Proporcionan valores altos de potencia con una larga vida, la cual está limitada principalmente por la fatiga de los rodamientos y de los materiales que conforman el cuerpo en rotación. Esto hace que los costes específicos sean comparativamente inferiores con respecto a las baterías u otros almacenamientos de energía a largo plazo. Teniendo en cuenta la diferente vida útil de los sistemas de almacenamiento y los costes específicos relacionados con el número de ciclos disponibles, los cálculos muestran que desde el punto de vista de coste de la energía, los volantes de inercia son incluso mejores que las baterías. Gráfica de costes específicos de sistemas de almacenamiento de energía Existen dos clases diferentes de sistemas del volante. Una clase está formada por los volantes de baja velocidad con rotores de acero y que operan en velocidades de entre 5000rpm y 6000rpm. Los Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 19 rodamientos regularmente son convencionales, pero también se pueden usar de cerámica. La otra clase son los volantes de alta velocidad que corren hasta 60.000 rpm. Estos volantes de alta velocidad utilizan materiales compuestos como el vidrio o fibra de carbono con polímero reforzado y avanzadas tecnologías como rodamientos magnéticos o con superconductores, lo que hace que técnicamente sean mucho más complejos. Además, estos volantes operan en un entorno cerrado como un vacío o una atmósfera de helio bajo presión para tener reducciones significativas en las pérdidas aerodinámicas. Entre las principales empresas que ofrecen o desarrollan sistemas de volante de inercia se incluyen: Active Power, Enercon, Piller, HITEC Eurodiesel, Rosseta, flybrid Systems, compact dynamics, Beacon Power (Rojas 2005, Lazarewicz 2005), Pentadyne y Vycon. Todos los sistemas, excepto flybrid, utilizan una conversión de energía electromecánica para acoplar el volante de inercia con la red eléctrica o una unidad de vehículos. Así que la ruta de energía estándar es: red eléctrica => convertidor=> máquina eléctrica para la conversión de energía => energía cinética almacenada en la masa rotatoria y viceversa. Los avances en la dinámica de volantes de inercia presentados por flybrid han sido aplicados en el mundo de la Fórmula 1. Mientras que compact dynamics proponen una conversión de energía eléctrica, flybrid utiliza un acoplamiento mecánico del cuadro de volante y engranaje. El sellado del eje de rotación contra el vacío de la carcasa que contiene el volante de inercia provoca pérdidas extremadamente altas, por lo que no parece que sea una solución eficiente. Dependiendo de la velocidad rotatoria se definen los rodamientos, tales como rodamientos magnéticos activos, rodamientos magnéticos superconductores o rodamientos de bolas. De entre los rodamientos de bolas se pueden distinguir los que equipan bolas de acero y los de bolas cerámicas. Un ejemplo de un volante de inercia estacionario usado para aplicaciones de tráfico puede verse en las aplicaciones "Powerbridge" de sistemas de potencia Piller. Sirve para almacenar el voltaje proveniente de ferrocarriles o tranvías durante el frenado y la aceleración. Un modelo se encuentra ya instalado en una línea de tranvía en Hannover, Alemania. Aquí un volante de inercia convencional de baja velocidad de 6 toneladas (peso del sistema) es compatible con la tensión de catenaria de los tranvías. Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 20 Sistema de unidad Power Bridge, de Piller En cuanto a la conexión del volante de inercia de alta velocidad con los módulos en el exterior, las soluciones existentes lo resuelven mediante una combinación de motor/generador. La máquina eléctrica está integrada en -o directamente conectado conel volante y cerrada dentro de un espacio vacío. La potencia se transmite a través de cables eléctricos que proporcionan la flexibilidad necesaria para permitir que el volante sea montado en las juntas cardan (para aplicaciones de transporte) evitando el efecto de las fuerzas de Coriolis. Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 21 El volante de inercia es el elemento en donde la energía queda almacenada al imprimirle a este una velocidad. La energía cinética almacenada en una masa que está girando depende de su momento de inercia (I) y del cuadrado de la velocidad angular del disco (ω). La energía almacenada es la suma de la energía cinética de los elementos totales individuales que abarcan la masa que gira. Esquema típico de un volante de inercia De esta manera la energía cinética almacenada de una masa que está girando es;   =1 2  El momento de inercia (I) depende del radio del elemento que gira (r), de la masa (m), y de una constante que depende de la forma que tiene el objeto que gira y del eje de rotación. =  De esta manera existen diferentes constantes para los distintos sólidos que giran en torno a un eje determinado. 1.5.1.1. Momento de inercia de una distribución continua de masa De la misma manera que la masa de un cuerpo le confiere inercia, que es la resistencia que el cuerpo opone al cambio de su momento lineal, cuando sobre una partícula aplicamos distintas fuerzas y mediamos las aceleraciones que éstas le producen, se puede observar que existe una constante de proporcionalidad entre ambas magnitudes, la cual se denomina masa Inerte de la partícula, el momento de inercia da a un sólido una resistencia al cambio de su momento angular, se puede decir que es una inercia a la rotación, cuando un sólido gira en torno a un eje fijo la constante de proporcionalidad entre los Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 22 distintos momentos de las fuerzas aplicadas y aceleraciones angulares que le producen, es, en este caso, el Momento de Inercia del sólido respecto del eje de giro. El Momento de Inercia para una distribución continua de masa queda definido como: =    La ecuación de dimensiones del momento de inercia es [I]=ML2 ,con lo que en el S.I. se medirá en kg·m2. Se puede observar que el momento de inercia depende únicamente del eje respecto del cual gira, de la masa del sólido y de sus parámetros geométricos. 1.5.1.2. Momento de inercia de un cilindro El momento de inercia de un cilindro de masa M, radio R y longitud L respecto de su eje. Geometría de un cilindro En determinados casos en los que el sólido es homogéneo, para resolver la integral de volumen se recurre al concepto de densidad: =/ de esta manera el mometo de inercia del cilindro macizo respecto de su eje de simetria Z se puede calcular considerando el volumen limitado entre dos cilindros de radios  y + . De esta manera su masa es: =2 Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 23 Por encontrarse distribuida la masa simétricamente respecto del eje Z, su momento de inercia será: =   =2   = 2  =   2      =2  4 Como la masa total del cilindro es: !=   El momento de inercia de un cilindro macizo será: =1 2!  A continuación se enumeran las diferentes constantes que relacionan el momento de inercia con su masa y el radio respecto a su eje de simetría. Anillo; k = 1 Cilindro; k el = ½ Esfera sólida; k = 2/5 Cáscara esférica; k = 2/3 Barra rectangular fina; k el = ½ 1.5.1.3. Optimización del volante de inercia Para optimizar el cociente de la energía-masa, el volante de inercia necesita girar a la velocidad máxima posible. Esto es así porque la energía cinética aumenta solamente linealmente con la masa pero va como el cuadrado de la velocidad angular. En el caso de tener un almacenador compuesto por un disco de acero, como ocurre en nuestro caso tendremos que la energía almacenada dependerá, del radio del disco, de la longitud de este, de su masa y de su velocidad angular máxima. Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 24 De la ecuación de la energía cinética almacenada en una masa que gira con una velocidad angular, se obtiene.   =1 2    El momento de inercia para un cilindro como se calculo en el punto anterior es. =1 2!  La masa del disco para una densidad ρ es. !=  De esta manera el momento de inercia de un cilindro en función de su radio y longitud es:   =    =  Donde K es una constante en la que se incluye el valor de la densidad, que será constante en el caso de que el disco este construido de un material homogéneo. Para un disco construido en acero tendremos que su densidad promedio es 7800 "#/  .  $% =7800)"#/  *  $% =1 2 $%  $% =1 2·3,14159·7800=12252,21"#/  Para otros materiales la tabla 1, muestra las densidades, esfuerzo máximo soportado y esfuerzos máximos específicos, para diferentes materiales metálicos y materiales compuestos. Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 25 Densidades y tensiones para diferentes materiales Para determinar cuál es la relación que debe existir entre el radio y la longitud del cilindro se deben tener en cuenta una serie de consideraciones que sirven para definir la relación óptima entre estas dos magnitudes. • Para una energía de almacenamiento dada como parámetro de diseño, el producto   debe permanecer constante para cualquier configuración adoptada. • Se debe reducir al máximo la superficie del cilindro que compone el sistema de almacenamiento ya que está en contacto con el aire, para reducir las pérdidas aerodinámicas. • Se debe limitar la velocidad lineal que aparece en el borde del disco para no sobrepasar los esfuerzos máximos, limitados por la resistencia mecánica del material utilizado. Estos esfuerzos son originados por las fuerzas centrífugas que aparecen en un elemento que gira y dependen del radio del cilindro y de su velocidad. • También se deben tener en cuenta el incremento de pérdidas generado por un elemento que viaja a velocidades supersónicas, para limitar la velocidad de rotación y así evitar que el borde del disco supere en un número de veces la velocidad del sonido. • Se deben tener en cuenta los valores mínimos de radio y longitud del cilindro, que garanticen que la pieza construida es suficientemente robusta para poder trabajar bajo condiciones nominales. Para el análisis y búsqueda del óptimo que relaciona el radio del cilindro con su longitud, se debe comenzar por un supuesto en el que el momento de inercia sea una constante de diseño ya establecida. De esta manera la pregunta que hay que responder es. ¿Cuál es la relación correcta entre el radio del disco y su longitud?. Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 32 0 VW =?3+C@7    8 1.5.1.5.6. Relación longitud-radio para un volante de inercia Teniendo en cuenta las expresiones anteriores, para la energía almacenada, el momento de inercia para un cilindro y la tensión máxima producida en el eje de giro de un disco sometido a una velocidad angular, se puede obtener la relación que existe entre la longitud del cilindro y su radio. R Z S Z T   =1 2      =1 27  = X   0 VW =?3+C@7    8 U La velocidad angular del disco se puede expresar en función de la tensión mecánica máxima y de su radio de giro.   =80 VW ?3+C@7  La energía cinética almacenada por un volante de inercia se puede expresar en función de su longitud, su radio y la tensión mecánica máxima soportable por el material del que esté compuesto el volante. La energía mecánica se puede expresar de la siguiente manera.   =1 2    =1 47    =1 47  80 VW ?3+C@7  =20 VW ?3+C@  Si se toma el coeficiente de Poisson constante y de valor 0.25, la expresión de la energía cinética queda de la siguiente manera:   =8 130 VW   De esta manera la relación que existe entre le radio y la longitud es: =13·  8·0 VW   Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 33 En la gráfica siguiente se muestra las relaciones que existen ente las longitudes L del cilindro con el radio R, para los diferentes materiales. Relación Radio-Longitud para distintos elementos para una unidad de energía y para la tensión máxima soportada por cada material Se puede observar que para almacenar la misma cantidad de energía, en este caso 1J, y para un mismo radio del cilindro, la longitud de este varía según el material que se elija. En materiales con una alta resistencia mecánica, la longitud es menor que en el resto, puesto que para almacenar la misma cantidad de energía el momento de inercia disminuye pero la velocidad angular aumenta. En la figura siguiente se muestra el valor del momento de inercia en función del radio del disco para una longitud unidad y para los diferentes materiales que se enuncian en la tabla del punto 1.5.1.6.1. Relación Radio-Momento de inercia para distintos elementos para una longitud unidad Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 34 Velocidad máxima de giro en función del material utilizado En la figura siguiente se muestra el valor del momento de inercia en función del radio del disco para una longitud unidad y para los diferentes materiales que se enuncian en la tabla del punto 1.5.1.6.1. Comparación masa-volumen para diferentes tipos de material Mediante el proceso de cálculo anterior el volumen y en consecuencia la Masa permanecen constantes para cualquier radio, para un mismo material. La grafica 18 muestra el valor de la masa y del volumen de Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 35 manera relativa frente a los valores obtenidos para el acero que se toman como valor de referencia. Así se puede ver que solo los volantes de inercia fabricados en fibra de Carbono ocupan menos espacio y son mas ligeros que los discos de acero, pero por el contrario deben girar a un mayor número de revoluciones por minuto y el material es sensiblemente más caro y difícil de mecanizar. De esta manera se pueden diferenciar dos tipos fundamentales de almacenadotes cinéticos. • Almacenadores rápidos: Estos almacenadores giran a muy altas revoluciones y tienen momentos de inercia muy bajos. Su masa y volumen son reducidos lo que los hace apropiados para aplicaciones donde el espacio disponible para el elemento almacenador es reducido y el peso esta limitado. Este tipo de almacenador es apropiado para vehículos donde el almacenador esta incorporado en su interior, como por ejemplo en vehículos aeroespaciales o vehículos híbridos para trasporte terrestre. • Almacenadores lentos: Estos almacenadores giran a velocidades angulares inferiores que los rápidos, su momento de inercia es elevado, y en consecuencia su masa y volumen también lo son es apropiado para instalaciones donde el espacio no es un inconveniente, como en instalaciones estacionarias. Para ver de una manera más clara lo expuesto en los puntos anteriores se diseña un volante de inercia en sus dos versiones, rápida y lenta. La energía de almacenamiento para la que se quiere diseñar el volante de inercia es de 200MJ. Los materiales seleccionados son acero para el almacenador lento y fibra de carbono para el almacenador rápido. Se eligen dos radios de diseño 0.2 y 0,8 metros. Tabla resumen para un almacenador de 200MJ: Cuadro resumen para los diferentes tipos de almacenador para sus diferentes configuraciones Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 36 Como conclusión a este punto se puede observar en la tabla 3 como el peso en un almacenador lento es muy superior al rápido para una misma energía almacenada y un mismo radio y por el contrario en los almacenadores rápidos el material utilizado permite elevar las velocidades de giro del orden de 3 veces para una configuración similar. Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 37 1.5.2. Embrague El embrague es el elemento que se encarga de transmitir o cortar la transmisión de par desde el volante hasta el cigüeñal, para poder realizar el encendido del motor de combustión en situaciones de parada. El embrague debe de disponer de la suficiente resistencia para transmitir todo el par resistente del motor de combustión, como para efectuar el encendido de éste. 1.5.2.1. Tipos de embragues Existen múltiples criterios para poder clasificar los diferentes tipos de embragues que existen, pero todos ellos pueden ser agrupados en tres grandes grupos: • Los embragues hidráulicos • Los electromagnéticos • Los de fricción. 1.5.2.1.1. El embrague hidráulico El embrague hidráulico actúa como embrague automático entre el volante y la el cigüeñal. Dicho embrague permite que el volante transmita el par cuando llega a un determinado régimen de giro. El funcionamiento del embrague hidráulico está fundamentado en la transmisión de energía que una bomba centrífuga comunica a una turbina por medio de un líquido que, generalmente, es aceite mineral. Está constituido por dos coronas giratorias, que tienen forma de semitoroide geométrico, provistas de unos tabiques planos, llamados álabes. Una de ellas, llamada corona motriz, va unida al volante por medio de tornillos y constituye la bomba centrífuga, la otra, unida al cigüeñal del motor constituye la turbina o corona arrastrada. Cuando el volante gira, el aceite es impulsado por la bomba, proyectándose por su periferia hacia la turbina, en cuyos alabes incide paralelamente al eje. Dicho aceite es arrastrado por la propia rotación de la bomba corona o motriz, formándose así un torbellino. La energía cinética del aceite que choca contra los alabes de la turbina produce en ella un par que la hace girar. Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 38 Esquema embrague hidráulico 1.5.2.1.2. El embrague electromagnético El sistema de embrague electromagnético está constituido por una corona de acero que se monta sobre el volante de inercia acumulador. En el interior de esta corona va alojada una bobina, que al pasar la corriente eléctrica a través de ella produce un campo magnético en la zona del entrehierro formado entre la corona. El espacio existente en el interior de la corona se cierra con chapas de acero, y se rellena con polvo magnético, que se aglomera en el entrehierro por la acción del campo magnético creado por la bobina, haciendo solidarios a la corona con el disco. De esta forma, cuando pasa corriente por el arrollamiento de la bobina se produce la aglomeración del polvo magnético consiguiendo la transmisión de par. Por el contrario, si no pasa corriente por la bobina el polvo magnético no se aglomera en el entrehierro, lo que permite girar en vacío a la corona sin arrastrar el disco. Con lo cual el motor permanece desembragado, es decir, no se produce la transmisión del par. En el instante en que comienza a pasar corriente por la bobina se inicia la aglomeración del polvo magnético, que tarda un cierto tiempo en completarse, además del retardo a la aparición del flujo magnético que se produce en todas las bobinas. Este efecto consigue que el embrague sea progresivo. La principal desventaja de este tipo de embrague es el alto coste económico, solo se utiliza en aplicaciones industriales muy específicas. Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 39 Esquema embrague electromagnético 1.5.2.1.3. El embrague de fricción Estos embragues utilizan la adherencia de dos superficies de contacto (cónicas, cilíndricas o planas); tienen la ventaja de ser graduados y de hacer cesar la impulsión cuando el esfuerzo rebasa cierto límite. Este tipo funciona principalmente con disco único o con discos múltiples. El de disco único (automóviles) comprende un disco recubierto por ambas caras con un revestimiento especial para fricción. En el embrague de discos múltiples una serie de elementos, anillos planos o curvos, está encajada en el árbol principal y otra segunda serie es solidaria al árbol propulsado. Para automóviles, desde 1950 sólo se utiliza el sistema de disco único. El embrague de fricción es el que se utiliza en los vehículos automóviles actualmente y por tanto es el que se va a desarrollar en el presente trabajo. Los principales elementos que componen el embrague actual son: 1. CONJUNTO DE PRESIÓN: Es el elemento que sirve de soporte y que transmite la acción del cojinete. Las partes más importantes del conjunto de presión son: Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 40 • La carcasa: está unida de manera solidaria al volante de inercia del motor mediante unos remaches. • El diafragma: es el elemento accionado por el cojinete, y que se encarga de transmitir la carga necesaria al plato de presión para que el conjunto forros de fricción - volante de inercia - plato de presión actúen conjuntamente. • El plato de presión: es el elemento encargado de unir o desunir los forros al volante de inercia y al propio plato de presión. 2. DISCO: se encuentra prensado entre el volante y el conjunto, además es solidario al primario de la caja de cambios. Las partes más importantes del disco de embrague son: • Los forros de fricción: transmiten el par proporcionado por el motor a la chapa de conducción. Propiedades de los forros de fricción: 1. Coeficiente de rozamiento elevado y estable, sea cual sea la temperatura de trabajo. 2. Alta resistencia mecánica (centrifugación y deformación térmica). 3. Alta resistencia térmica: Resistencia hasta 350 – 400 ºC 4. Resistencia al desgaste. 5. Baja densidad para obtener un peso y una inercia lo más bajos posible. DIMENSIONES GEOMÉTRICAS NORMALIZADAS Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 41 • La parte conductora del disco de embrague: la chapa de conducción y las tapas (que por una parte está unida a los forros de fricción gracias a los remaches del forro y por otra parte transmiten el giro y la fuerza a la parte conducida mediante muelles de amortiguación; a su vez la chapa y las tapas están unidas gracias a cuatro remaches separadores). • La parte conducida: formada por el ala y el cubo; el ala recibe el movimiento de la parte conductora por medio de los muelles amortiguadores y el cubo es el que transmite dicho movimiento al eje del cigueñal. 3. COJINETE DE EMBRAGUE: se encarga de recibir la carga del pedal y transmitirla al conjunto, desliza sobre la trompeta. Elementos del embrague de fricción En el apartado 1.5.2.4. se escogerá el embrague mas óptimo para el diseño de éste acumulador cinético, teniendo en cuenta las distintas características de cada uno. Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 48 1.5.3. Rueda libre Es un elemento que se coloca en un eje o en un árbol de transmisión con objeto de permitir que el eje motriz mueva el eje resistente y no al contrario; es decir, desacopla ambos ejes cuando el árbol resistente gira a más revoluciones que el árbol motriz. Consiste en dos ruedas (M y C), una de ellas con una serie de ranuras en forma de rampas, donde se introducen una serie de rodillos o bolas (B) y unos muelles (R). Cuando la rueda motriz (M) gira, arrastra a la rueda (C), gracias a que los rodillos o bolas (B) se enclavan entre ambas haciéndolas solidarias. Por el contrario, si es la rueda C la que gira más deprisa, arrastra a los rodillos hacia la parte más ancha de la ranura, girando libres ambas ruedas. Este mecanismo se aplica sobre ejes que giran siempre en el mismo sentido. En sentido contrario no se prevé su funcionamiento. Esquema funcionamiento rueda libre Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 49 1.5.3.1. Aplicaciones Las ruedas libres se usan en los siguientes casos: 1.5.3.1.1. Indexación • Transformación de un movimiento oscilante en rotación intermitente (avance). 1.5.3.1.2. Anti retroceso • Para prevenir retrocesos y contramarchas no deseados. Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 50 1.5.3.1.3. Rotación libre • Para permitir que el eje conducido gire por inercia a mayor velocidad que el eje motor, o bien para que el motor principal pueda arrancar a una velocidad mayor que la del motor auxiliar de arranque (en el caso de éste proyecto, se usará para esta finalidad). 1.5.3.2. Funcionamiento En el momento de aplicación de la carga se produce una pequeña rotación de la cuña sobre las superficies de bloqueo hasta que el momento aplicado quede en equilibrio con los esfuerzos de reacción en los diferentes componentes (eje, cuñas, alojamiento). La distancia recorrida en ambas superficies, así como la altura (deformación elástica) determinan la zona de trabajo. La amplitud del ángulo de enclavamiento [ depende de la magnitud del momento torsor y consecuentes fuerzas de reacción, así como de la deformación∆. Simultáneamente, y como efecto de la rotación de las cuñas se produce un ángulo de giro ϑ que resulta ser constante bajo unas condiciones de trabajo dadas. Este giro es consecuencia de la elasticidad propia de los materiales, y no se debe a deslizamiento de las cuñas. Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 51 Funcionamiento de las cuñas de la rueda libre A fin de evitar esfuerzos puntuales peligrosos en las cuñas en presencia de sobrecargas, se modifica la espiral logarítmica más allá de la zona de trabajo. Esta modificación da como resultado unos ángulos de bloqueo ]  y ]  más elevados. El deterioro de las cuñas no tiene lugar sino para sobrecargas del orden de 2 a 3 veces mayores que el momento nominal. 1.5.3.3. Diagrama de momentos Diagrama de momentos de distintas clases de rueda libre Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 52 1.5.4. Rodamientos En los apoyos del volante acumulador y en los del eje de la rueda libre, se montarán rodamientos rígidos de bolas ya que son los más convenientes para estos elementos. Como se puede ver en la tabla, son los más apropiados para elementos de alta velocidad y con carga radial y axial relativamente baja. Tipos de rodamientos – diseño y características Son usados en una gran variedad de aplicaciones. Son fáciles de diseñar, no separables, capaces de operar en altas e incluso muy altas velocidades y requieren poca atención o mantenimiento en servicio. Estas características, unidas a su ventaja de precio, hacen a estos rodamientos los más populares de todos los rodamientos. Son particularmente versátiles. Son de diseño sencillo, no separable, adecuado para altas velocidades y son robustos en operación, que requiere poco mantenimiento. Los surcos profundos de rodadura, la conformidad cercana entre ellos y las bolas permiten rodamientos que soportan cargas axiales en ambas direcciones, además de cargas radiales, incluso a altas velocidades. Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 53 Rodamiento rígido de bolas 1.5.5. Correas y poleas dentadas Para la transmisión de movimiento entre el eje del cigüeñal y el eje del volante acumulador, se hará uso de correas dentadas ya que son las más óptimas para la transmisión rápida, sin tener un mantenimiento demasiado importante y un alto rendimiento en su funcionamiento. No se hará uso de correas de transmisión simples ya que las dentadas son capaces de transmitir mas par y en el caso de éste proyecto se necesita un par bastante elevado para realizar el arranque del motor térmico. Transmisión mediante correa dentada Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 54 Más adelante se escogerán las poleas y correas dentadas conforme a los requisitos que deben cumplir tales como: • Par de transmisión • Velocidad de funcionamiento • Longitud • Nº de dientes/longitud Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 55 1.6. Esquema de funcionamiento En la figura se puede ver el esquema de funcionamiento del sistema acumulador de energía cinética. A la izquierda se puede ver el motor de combustión interna (C.I.) con una polea dentada en la salida del eje del cigüeñal. Ésta polea es la encargada de transmitir el movimiento a la polea del eje del propio volante acumulador, mediante una correa dentada que permite una transmisión rápida y silenciosa. Posteriormente hay una rueda libre encargada de transmitir movimiento al volante acumulador, siempre que el eje del motor sea más rápido que el del propio volante y que no permite la transferencia de movimiento del volante acumulador al motor (similar al piñón de una bicicleta). Hasta aquí se realiza la carga del volante acumulador, que vendrá determinada por las revoluciones que aporte el motor de combustión, con una relación de transmisión 1:1 (las revoluciones máximas del motor están en torno a las 6.000rpm). En situaciones de parada-arrancada del motor térmico, entrará en funcionamiento la parte restante del sistema. Se parte de un volante de inercia girando a unas rpm determinadas (aportadas por el motor Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 56 térmico anteriormente) que tiene otra polea dentada en el extremo de su eje y que transmite el movimiento a otra polea situada en el extremo del eje del cigüeñal. Entre ésta polea y el eje del cigüeñal, se encuentra el embrague actuador para realizar el arranque del motor térmico. Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 57 1.7. Evolución del diseño 1.7.1. Energía necesaria para arrancar el motor térmico La energía necesaria para arrancar el motor térmico estará en función de las características del mismo, la cual oscila según el tipo de vehículo. En el caso de este proyecto, se harán los cálculos basados en un vehículo tipo ligero (Renault Clio 1.2 o similares). Ésta energía, que se debe suministrar al motor térmico, estará en función de las características constructivas del motor, determinadas por el par motor o par resistente que opone el mismo para su puesta en funcionamiento. Siendo la velocidad mínima en el motor, para producir el encendido o combustión térmica en el interior de los cilindros, de unas 120 a 150 r.p.m., el par motor o par resistente a esas revoluciones será: Vehículos ligeros 0,5 a 1 CV 0,4 a 0,8 kW Vehículos medios 1 a 3 CV 0,8 a 2,2 kW Vehículos pesados 3 a 6 CV 2,2 a 5 Kw Se escogerá la potencia necesaria para arrancar el motor de un vehículo ligero y, dentro de este grupo, se hará el cálculo para el peor de los casos (0,8kW). Se impone que ésta potencia se debe subministrar en un tiempo de 1 segundo para asegurar el encendido del motor de C.I.; 0,8"^=0,8 _` a ·19=b,cde netos necesarios para realizar el arranque del motor térmico 1.7.2. Elección de las características del volante de inercia El elemento acumulador de energía cinética (volante de inercia) irá acoplado al eje del cigüeñal. En esta zona no suele haber demasiado espacio y por esta razón se considerarán dimensiones aceptables y lógicas para montar en cualquier tipo de vehículo (ver apartado 3.1 “Cálculo parámetros del volante de inercia”). Longitud=60mm Diámetro=180mm Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 64 1.7.5. Rueda libre En el caso de la rueda libre, solo deberá cumplir el requisito de poder girar hasta 6000rpm y que su transmisión de par sea igual o superior al par que es capaz de realizar el motor térmico cuando está en funcionamiento ya que, durante la ‘carga’ del volante acumulador, solo interviene el par del motor térmico. Éste par máximo del motor nos lo da el fabricante del vehículo y es el siguiente: Se escogerá el fabricante Renold ya que ofrece una amplia gama de distintas ruedas libres y el modelo “REGL F4-D2 15” que cumple los requisitos anteriormente comentados. Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 65 Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 66 1.7.6. Rodamientos Se escogerán rodamientos del fabricante SKF y, como se explica en el apartado 1.5.4, del tipo rígido de bolas. 5000 6100 6800 Se debe cumplir que sean capaces de alcanzar 6000rpm, soportar una carga radial de 6 kg (el volante pesa 12kg pero tendrá 2 apoyos) y que su diámetro interior sea, como mínimo, de Ø18mm (calculo diámetro mínimo del eje del volante en el apartado 4.2). Éstos rodamientos no soportarán ningún tipo de carga axial en su funcionamiento. El rodamiento escogido será el tipo 61904-2RZ. Cumple con creces todos los requisitos necesarios. Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 67 2. Presupuesto En el presupuesto se detallan todos los costes del proyecto, tanto de diseño, como de la compra del material y puesta a punto del equipo acumulador. El presupuesto se divide en diferentes apartados en función del tipo de coste. 2.1. Estudio técnico En este apartado se refleja el coste de la realización del proyecto por un técnico, las horas del cual tienen un coste de 35€ cada una. En la siguiente tabla se muestran las horas necesarias para la realización de las diferentes partes del proyecto. Es un valor aproximado, ya que es muy complicado hacer un cálculo exacto del tiempo utilizado. Cada una de las tareas expuestas se ha realizado, pero en algunos casos se ha hecho de forma alternada y en cooperación con otras características, razón por la cual el cálculo de las horas es sumamente difícil de predecir con exactitud. TAREA DESCRIPCIÓN TIEMPO DEDICADO (HORAS) Búsqueda y selección de materiales comerciales Investigación Análisis Selección 40 Búsqueda de normativas Normas CE Redacción de las normas más relevantes 10 Realizar cálculos Energía que debe almacenar el volante acumulador Dimensiones Comprobación resistencia mecánica máxima Otras comprobaciones de resistencia mecánica (diámetro eje, material seleccionado) 25 Redacción proyecto Memoria descriptiva Pliegue de condiciones Cálculos Presupuesto 40 Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 68 Planos y Anexos Revisión general Comprobar y verificar el correcto diseño del prototipo 5 Coste total del estudio técnico TIEMPO DEDICADO (h) COSTE INGENIERO (€/h) TOTAL (€) 120 35 4.200 2.2. Coste de los elementos del equipo acumulador En este apartado se calcula el coste de cada uno de los materiales y cada una de las piezas que se necesitan para la construcción del acumulador cinético. Este apartado presenta una tabla diferenciada en función de si los elementos mencionados son comerciales o de diseño y elaboración propios. En la primera columna de la tabla, se indica el número de plano de la pieza para poder localizarla con facilidad (los que no tienen nombre, son los elementos comerciales. Sus respectivos planos se encuentran en el Anexo). Nº PLANO DENOMINACIÓN Nº PIEZAS COSTE/UNIDAD (€/u.) TOTAL (€) AC-1.1 Volante acumulador Ø180 L60 1 48,35 48,35 AC-1.2 Eje volante Ø18 1 22,25 22,25 AC-1.3 Eje poleas, rueda libre y embrague 2 18,85 37,70 AC-1.4 Carcasa 1 16,50 16,50 Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 69 Embrague de fricción seco Ø160 1 110,36 110,36 Rueda libre “Renold REGL F4-D2 15” 1 73,13 73,13 Rodamientos “SKF 61904-2RZ” 3 11,56 11,56 Correa dentada “Goodyear Eagle NRG Purple” 2 18,42 36,84 Polea dentada “Goodyear L-40SMPB” 4 8,23 32,92 Coste total de los elementos del equipo acumulador COSTE TOTAL (€) 389.61 2.3. Coste aproximado del montaje OPERACIÓN TIEMPO (horas) PRECIO/HORA (€/h) PRECIO TOTAL (€) MONTAJE 4 35 140 ACOPLAMIENTO GENERAL 1 35 35 Total montaje 175 Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 70 2.4. Coste total del acumulador cinético DESCRIPCIÓN DEL COSTE COSTE (€) Estudio técnico 4.200 Coste del material 389,61 Coste del montaje 175 TOTAL 4.764,61 Tal como podemos observar en la tabla anterior, el presupuesto del acumulador cinético asciende a 4.764,61€. El hecho de tratarse de un prototipo y de no existir en el mercado hace encarecer su coste, sin embargo, en el diseño se han incluido numerosos componentes comerciales y esto ha permitido que el presupuesto total no ascienda a una cantidad exageradamente elevada. Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 71 3. Cálculos 3.1. Calculo parámetros del volante inercia 3.1.1. Factores a considerar para el diseño del volante Hay una serie de factores a tener en cuenta a la hora del cálculo de los parámetros del volante de inercia, ya que, hay limitaciones y restricciones que se deben respetar para que el diseño sea valido: • Como se dijo anteriormente, el volante de inercia tendrá unas medidas lógicas respecto las dimensiones que se dispone en la zona donde irá montado el equipo acumulador de energía cinética, ya que no se dispone de espacio ilimitado. • También se ha demostrado en el apartado 1.5.2.3.1, que las pérdidas generadas en el embrague que actúa a la hora de realizar el arranque del motor térmico, son del 50%, por lo que la energía que debe almacenar el volante debe ser, al menos, el doble de la energía que demanda el motor térmico para ser accionado. • Las revoluciones máximas del volante de inercia serán 6000rpm ya que hay una relación de transmisión 1:1 con el propio eje del cigüeñal y éste no superará nunca éstas revoluciones. • Las revoluciones medias consideradas a las que estará el volante de inercia en situaciones de paradas serán 3000rpm ya que un coche de estas características suele trabajar a éste régimen de giro (si el volante se encuentra girando por encima de éste régimen de giro, habrá energía sobrante para realizar el arranque del motor térmico pero esto no supone ningún riesgo para la mecánica del mismo). • Se debe comprobar que el régimen máximo de giro al que puede llegar el volante diseñado (6000 rpm), no supera la resistencia mecánica máxima del propio volante según el apartado 1.5.1.5.5. 3.1.2. Diseño del volante 3.1.2.1. Energía que debe almacenar el volante acumulador En el apartado 1.7.1 se demuestra que la energía necesaria para el arranque del motor térmico de un vehículo tipo ligero es de 0,8kJ. Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 72 Ésta energía es la que debe ser transferida al eje del cigüeñal (^ I ), por lo que hay que tener en cuenta que entre el volante acumulador de energía cinética y el cigüeñal se encuentra el embrague actuador del arranque con una pérdida de energía del 50% (|=0,5). Por lo tanto: ^  =L· } ~ • =1,5· ,€_` ,q =s,xde debe tener el volante acumulador de energía cinética para el arranque del motor térmico, teniendo en cuenta las pérdidas de energía originadas en el embrague actuador. 3.1.2.2. Dimensiones del volante acumulador Se impone que el radio del volante es de 9cm ya que es una medida aceptable teniendo en cuenta el espacio que hay en la zona dónde irá montado el equipo acumulador. Del apartado 1.5.1, se sabe que la energía de un almacenador cinético es:   =1 2    y el momento de inercia de un cilindro macizo es:   =1 2!  por lo tanto, sabiendo cual es la energía cinética que debe almacenar el volante acumulador (2,4kJ), su radio (0,09m) y su régimen de giro medio (3000rpm), se puede saber cuál es la masa y, a la vez, la longitud del volante a diseñar: 2,4"•=1 2J1 2!·0,09  KJ3.0002 60‚/9K  ⇒!=12"# Ésta es la masa que debe tener el volante. Sabiendo que la densidad media del acero con el que se fabrica el volante acumulador es 7850 kg/m³, según el apartado 1.5.1.6.3, su longitud será: 7850"#→1  12"#→w  w=1,53·10 ƒ   (volumen del volante) Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 73 Y  =  ⇒= Y    = 1,53·10 −3  3 ·0,09  =0.06 Resumen: • Radio=0,09m • Longitud=0,06m • Masa=12kg • Material: Fundición gris, Clase 40 (ver tabla composición y propiedades en el apartado 1.7.2). 3.1.2.3. Comprobación de la resistencia mecánica máxima Según el apartado 1.5.1.5.5 la resistencia mecánica máxima para un disco se produce en su eje de giro y su expresión es: 0 VW =(3+C)7    8 siendo δ la densidad del material del disco, C el coeficiente de Poisson (C=0,25) y 0 VW la resistencia mecánica máxima del material del volante, que en este caso es 0 VW =276!„‚. Por lo tanto, se debe comprobar que a 6000rpm (máximo régimen de giro): 0 VW =(3+C)7    8≤276!„‚ 0 VW =(3+C)7    8=(3+0,25)7850·10 ƒ† "#/  6000: k;2 60‚ 990  8=n‡sˆ‰Š <so‡ˆ‰Š Se cumple que la solicitud mecánica a la que será sometido el volante acumulador a máximo régimen de giro, es inferior a la resistencia mecánica máxima que es capaz de soportar. Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 80 5. Conclusiones Los vehículos automóviles se han convertido en un medio ampliamente utilizado de transporte que ofrece igualmente comodidad y libertad de movimiento para los usuarios. El número de vehículos crece continuamente y es probable que continúe éste aumento. Por desgracia, tienen un impacto negativo sobre el medio ambiente debido a las emisiones expulsadas durante su funcionamiento, en particular, las emisiones de grandes cantidades de dióxido de carbono a la atmósfera contribuyen de manera especial al calentamiento global del planeta. Hasta ahora no se han desarrollado con éxito vehículos convencionales con emisiones considerablemente inferiores y menor consumo de energía, a pesar de los grandes esfuerzos realizados en los departamentos de investigación de universidades y fabricantes. Para superar esas limitaciones se han desarrollado vehículos con diferentes trenes de potencia, los llamados vehículos no convencionales, y ahora están disponibles comercialmente. A pesar de que los vehículos no convencionales se encuentran en continuo desarrollo, aún no se ha dado con ninguna solución rentable que tenga el potencial para ganar la aceptación por parte de los clientes. Por lo tanto, todavía se necesitan nuevos enfoques y se debe continuar la búsqueda de vehículos con trenes de potencia más modernos y novedosos. Es por todo lo expuesto anteriormente que se ha desarrollado éste proyecto. Tal como se describe en el proyecto, se ha realizado el diseño de un elemento enfocado al funcionamiento con el sistema Start&Stop que ya llevan incorporados algunos vehículos que se comercializan actualmente. Éste elemento sustituiría las grandes y contagiosas baterías y motores de arranque sobredimensionados que montan el sistema Start&Stop original, ya que se aprovecharía el energía cinética del motor de combustión durante su funcionamiento para cargar un elemento mecánico que después devolvería esa energía para realizar el arranque del motor térmico en situaciones de parada tales como conducción por ciudad o trafico congestionado. Se ha demostrado que usando dicho elemento, se pueden obtener mejoras en economía de combustible y reducción de las emisiones de gases contaminantes a la atmósfera. El desarrollo de un sistema mecánico con estas características podría producir un sustancial ahorro en combustible y una importante reducción de las emisiones dada la enorme demanda de medios de transporte en todo el mundo. Una característica particularmente atractiva, es que el sistema está basado en sistemas tecnológicamente ya conocidos y probados (sistema Start&Stop original), lo que permite la posibilidad de proporcionar una mejora de dicho sistema. Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 81 A diferencia de otros sistemas de almacenamiento de energía (baterías básicamente), éste elemento mecánico tiene componentes que podemos denominar tradicionales, lo cual minimiza el impacto psicológico ante cambios tecnológicos. Dados los resultados tan satisfactorios obtenidos en este proyecto, el siguiente paso sería obtener financiación para poder llevarlo a cabo montando un proyecto global con diferentes empresas expertas en cada una de las partes que lo componen, una de las cuales debería ser un fabricante de vehículos el cual pudiese acabar produciendo el vehículo en serie para su comercialización. Diseño acumulador cinético para sistema Start&Stop PFC. Enginyeria tècnica industrial. Mecànica 82 6. Bibliografía Libros • “Ingeniería Mecánica – Dinámica”. R. C. Hibbeler. • “The history of the automobile”. M. Bellis. • “Diseño en Ingeniería Mecánica ". J.E. Shigley & C.R. Mischke. • "Teoría de la Elasticidad ". Timoshenko-Goodier. • "Cálculo teórico-práctico de los elementos y grupos del vehículo industrial y automóvil". Francisco Muñoz García. Artículos • “Coordinated control of a mechanical hybrid driveline with a continuously variable transmission”. S. W. Shen, A. Serrarens, M. Steinbuch, and F. Veldpaus. JSAE Review, 2001. • “Mechanical Energy Storage Hybrid Vehicle – Simulation and Life Cycle Costs”. S. Shah, U. Diego-Ayala, and K. R. Pullen. In European ELEDrive Transportation Conference and Exhibition, Estoril, Portugal, 2004. • “A study on regenerative braking for a parallel hybrid electric vehicle”. S. Jang, H. Yeo, C. Kim, and H. Kim. KSME Int. 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