Modelado y recreación virtual de un motor de vapor a escala en Catia V5

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial Modelado y recreación virtual de un motor de vapor a escala en Catia V5 Autor: Vicente Guadix Zamora Tutores: María Gloria del Rio-Cidoncha y Rafael Ortiz Marín Dpto. Expresión Gráfica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 iii Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial Modelado y recreación virtual de un motor de vapor a escala en Catia V5 Autor: Vicente Guadix Zamora Tutores: María Gloria del Rio-Cidoncha Profesor Titular Rafael Ortiz Marín Profesor Colaborador Dpto. de Expresión Gráfica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 v Trabajo Fin de Grado: Modelado y recreación virtual de un motor de vapor a escala en Catia V5 Autor: Vicente Guadix Zamora Tutores: María Gloria del Rio-Cidoncha Rafael Ortiz Marín El tribunal nombrado para juzgar el Trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha: vii Agradecimientos A mis padres y a mi hermana, por su apoyo y amor incondicional en los momentos difíciles durante esta etapa de mi vida pues sin ellos no hubiera sido posible llegar hasta aquí. Vicente Guadix Zamora Grado en Ingeniería Aeroespacial Sevilla, 2021 ix Resumen En el presente trabajo de fin de grado se realizará el modelado de una réplica a escala de un motor de vapor con válvulas de Joy. A lo largo de este documento se presentará el proceso seguido para modelar cada una de las piezas que componen este motor, posteriormente se ensamblarán los componentes y para finalizar se realizará el renderizado y animación del mismo. De forma adicional se realizará una breve descripción del software utilizado para el modelado (CATIA V5), explicando el porqué de su elección y las funcionalidades empleadas además de una breve reseña histórica del origen y evolución de las máquinas de vapor. 7 Animación del motor 144 8 Conclusiones y Desarrollos Futuros 149 Índice de Figuras 151 Biliografía 159 1 1 Introducción En el presente proyecto de fin de grado se presenta una recreación virtual de un motor a vapor a escala con el sistema de válvulas de Joy utilizando para ello los planos desarrollados por la compañía JDW DRAUGHTING SERVICES, empresa dedicada al desarrollo de replicas a escala de máquinas y mecanismos de diversa índole afincada en Nueva Zelanda. De forma adicional, se realizará un breve repaso histórico a la historia de los motores de vapor y sus implicaciones en el desarrollo industrial y cómo este avance cambió el modelo productivo y de consumo de la sociedad. 1.1 Objetivos Los objetivos primordiales de este proyecto se pueden englobar en los siguientes puntos: ➢ Conseguir una mayor comprensión respecto al impacto histórico de la llegada de las primeras máquinas térmicas a la industria y al transporte. ➢ Desarrollo de un modelo a escala de un motor a vapor utilizando software CAM/CAE profesional a partir de unos planos existentes, por tanto, será una recreación lo más fiel posible a un modelo que pudo haber existido en su época. ➢ Implementación de una metodología de trabajo coherente a la hora de abordar un proyecto con un gran número de elementos constitutivos. 1.2 Resumen de la estructura del documento El desarrollo del documento será el citado a continuación. Primeramente, se detallará la elección del software empleado para la tarea de modelado del motor y el porqué de dicha elección. Además, se hará una breve descripción de las funcionalidades empleadas en el desarrollo del proyecto, así como cuál fue su origen y los puntos fuertes y características que hacen a este software una herramienta muy utilizada en la industria actual automovilística y aeronáutica. 2 Posteriormente, se hará una breve reseña histórica de las máquinas térmicas en general, desde la aparición de las primeras máquinas de vapor y cómo revolucionaron el mundo hasta la actualidad. Una vez finalizada esta primera parte introductoria del trabajo, se detallará el proceso realizado para el modelado virtual del motor a vapor, indicando de forma exhaustiva los distintos pasos realizados para el modelado de los distintos componentes y su ensamblado formando finalmente el conjunto global de la réplica a escala virtual. Una vez modeladas las piezas y ensambladas debidamente, se renderizará el conjunto para obtener un resultado más realista y comparar el modelo obtenido con réplicas realizadas. Además, se realizará la animación del mecanismo del motor para poder observar el funcionamiento del mismo. Para terminar, se explicarán las conclusiones obtenidas del proceso de elaboración de este trabajo y se expondrán unas líneas de mejora y de continuación del trabajo en un futuro. 3 2 CATIA V5. Características y usos 2.1 ¿Qué es CATIA? CATIA (Computed Aided Three Dimensional Interactive Application) es un software de diseño (CAD), fabricación (CAM) y análisis (CAE) asistidos por ordenador desarrollado y comercializado por Dassault Systèmes [2]. Este software fue desarrollado con el fin de ayudar en el diseño en la industria aeronáutica, en concreto fue concebido para la creación del avión de combate Dassault’s Mirage. Actualmente empresas del sector aeronáutico y aeroespacial como Airbus o Boeing utilizan este software para sus desarrollos. Debido a sus grandes prestaciones y funcionalidades es uno de los programas de diseño más utilizado en el desarrollo de nuevos productos en la industria del automóvil, según comenta [2], empresas tales como el grupo Volkswagen, BMW, Renault o Peugeot hacen un gran uso de este programa. Además, CATIA se ha instaurado como uno de los softwares más utilizados en el sector ferroviario (ALSTOM), sector naval o en el sector de la energía (Gamesa lo emplea para diseñar y fabricar aerogeneradores) [2] [3]. Para el desarrollo de este trabajo, se ha empleado la versión CATIA V5, más concretamente la versión V5R19. CATIA presenta varias versiones diferentes (desde la V1 hasta la V6) y varias modificaciones o revisiones dentro de cada una de estas (R17, R19, R19, etc.). Es importante recalcar la versión exacta empleada pues la compatibilidad de los archivos entre distintas versiones no está garantizada y puede haber errores. 2.2 ¿Qué utilidades tiene? El programa está configurado por distintos módulos que permitirá realizar distintas tareas como el diseño de componentes (“Part Design”), el ensamblaje de conjuntos de piezas (“Assembly Design”) Figura 2.1: Logotipo de CATIA [1]. 4 o la obtención de planos (“Drafting”) hasta por ejemplo analizar o simular el proceso de mecanizado de piezas, realizar análisis por elementos finitos, diseño eléctrico, electrónico, tuberías etc. Incluso existen módulos que permiten analizar la ergonomía de los diseños, diseñar formas complejas de chapa o simular el movimiento de mecanismos (DMU Kinematics). Además, CATIA V5 ofrece soporte para el diseño de herramientas, moldes o matrices, así como el diseño de utillaje, algo fundamental para el sector aeronáutico y del automóvil. Otra de las funcionalidades a destacar del programa es la gran librería de materiales que dispone, como bien se comenta en [4], además que permite al usuario crear materiales especificando con gran detalle las características de los mismos como, por ejemplo: el módulo de elasticidad, coeficiente de Poisson, densidad, coeficiente de expansión térmica etc. Esta función permitirá crear y trabajar con materiales compuestos, una característica muy interesante pues son muy usados en la industria aeronáutica. Una de las características que hacen tan atractivo este programa es la posibilidad de cubrir el ciclo completo del proceso de ciclo de vida de un producto [4]. Permite que varios usuarios puedan trabajar simultáneamente en un ensamblaje compartiendo e intercambiando modificaciones en un objeto. De esta forma se permite una rápida transmisión de las actualizaciones realizadas en un producto, evitando retrasos y disminuyendo costes de producción. 2.3 Alternativas a CATIA V5 En el mercado existen numerosos softwares de diseño y fabricación asistido por computadora (CAD/CAM) más allá de CATIA V5. A continuación, se van a presentar algunos de los programas más utilizados en la actualidad. 2.3.1 SolidWorks SolidWorks al igual que CATIA V5, es un software de diseño mecánico paramétrico 3D desarrollado por la empresa Dassault Systèmes. SolidWorks presenta una interfaz mucho más intuitiva y fácil de manejar que su hermano mayor CATIA permitiendo desarrollar diseños de piezas de una forma rápida [6]. SolidWorks tiene una gran cantidad de herramientas incluidas que permite al diseñador realizar su trabajo de manera cómoda y rápida. El software actualiza cotas, tablas, materiales y valores con gran precisión[6]. Cuenta también con herramientas especializadas para el desarrollo de modelos de chapa metálica, piezas soldadas o el diseño de moldes además de tener complementos que permiten realizar elecciones de diseño y sostenibilidad ya que ofrece datos de recursos, procesos de fabricación o rentabilidad. También es importante recalcar que el coste de una licencia es más barato que CATIA, como bien se Figura 2.2: Logotipo de SolidWorks [5]. 5 comenta en [6], y otros softwares del mercado es por ello por lo que es ampliamente utilizado en industria para el diseño de maquinaria o piezas. Sin embargo, SolidWorks tiene importantes desventajas frente a CATIA sobre todo en lo que respecta a su desempeño modelando superficies complejas, comentado en [6] , unos tiempos de modelado y simulación muy altos además de tener un motor de renderizado muy pobre esto hace que no sea usado en la industria aeronáutica. 2.3.2 Siemens NX Siemens NX es un software de diseño asistido por ordenador desarrollado por Siemens PLM Software, siendo esta una filial de Siemens Industry Automation [8]. Siemens NX al igual que CATIA ha sido una de las herramientas de diseño elegidas por fabricantes de automóvil, sector aeronáutico o ferroviario debido a sus grandes capacidades. Las versiones más actuales de Siemens NX presentan una interfaz mucho más moderna e intuitiva que la de CATIA V5, además de contar funciones interesantes como por ejemplo una metodología integrada llamada Synchronous Technology, como bien cuenta José Luis Durán González en [9] que entiende las relaciones geométricas presentes en los sketchs y permite realizar modificaciones de forma inteligente para así mejorar el rendimiento del proceso de diseño. Sin embargo, al igual que pasaba con SolidWorks, Siemens NX no tiene las mismas capacidades para trabajar con el modelado de superficies complejas algo de vital importancia para empresas punteras aeronáuticas como Airbus, el grupo PSA, BMW o Toyota, según [9] y [10]. Además, es importante reseñar que Siemens NX fue creado a partir de Unigraphics esto hace que algunos aspectos en el modelado sean más lentos que en el caso de CATIA. 2.3.3 Solid Edge Figura 2.3: Logotipo de Siemens NX [7]. Figura 2.4: Logotipo de Solid Edge [11]. 6 Solid Edge es un programa CAD desarrollado originalmente por Integraph en 1996 pero fue adquirido por Siemens [12]. Es un software que permite el diseño y modelado de piezas, conformado de chapa, ensamblaje de conjuntos mecánicos y funciones de dibujo para ingenieros y proyectistas entre otras funcionalidades. Utiliza una tecnología síncrona que permite dinamizar las fases más tempranas de diseño, lo cual permite a los equipos realizar cambios rápidos o mejorar la reutilización de diseños, según se comenta en [13]. Además, el hecho de que el coste de las licencias sea más bajo que CATIA y una mejor experiencia de usuario permite que pequeñas empresas puedan realizar labores de diseño por ordenador sin mayores complicaciones [14]. Sus funcionalidades, aunque son más que suficientes para pequeños negocios que se dediquen al diseño de maquinaria o pequeñas piezas, no tiene capacidades avanzadas como módulos de soldadura, diseño de superficies complejas o unas capacidades de simulación más escuetas que en el caso de CATIA. 2.3.4 PTC Creo PTC Creo es el software de diseño asistido por ordenador que sustituyó a Pro Engineer a partir de 2011 [16]. PTC Creo es un programa CAD/Cam/CAE con amplias capacidades que permite crear, analizar, visualizar y compartir diseños. PTC Creo cuenta con la gran ventaja de poder leer multitud de formatos de distintos softwares como CATIA, SolidWorks o Siemens NX. Presenta unas buenas capacidades en el modelado de superficies y en geometrías muy complejas, además de presentar una interfaz amigable al usuario y dotar de mucha flexibilidad y velocidad al proceso de diseño pudiendo crear prototipos de manera rápida a partir de bocetos, según [17]. Es muy versátil en el sentido de poder ser usado desde profesionales ajenos al área de diseño a realizar tareas más allá del diseño como simulación por métodos finitos o de fabricación, como bien se comenta en [17]. PTC CREO cuenta con nuevas herramientas para el diseño de prototipos por impresión 3D de gran calidad permitiendo en la misma aplicación realizar procesos de validación , optimización y comprobación de impresión. PTC Creo cuenta con funciones para administrar datos, piezas y modelos en la nube permitiendo compartir estos de forma rápida y ordenada [17]. Gracias a estas grandes capacidades, es un software muy empleado por empresas tales como Lockheed Martin, Harris Corporation o Raytheon dedicadas al sector espacio en los Estados Unidos [18]. Figura 2.5: Logotipo de PTC Creo [15]. 7 2.4 ¿Por qué se ha elegido CATIA V5? Dada la naturaleza de este proyecto, todos los programas expuestos pueden ser utilizados para el modelado del motor de vapor. Sin embargo, se ha elegido CATIA V5 como software de diseño asistido por computadora debido a una serie circunstancias que se exponen a continuación. • Es el software utilizado en la industria aeronáutica y aeroespacial en Europa con mayor diferencia. Airbus, sus empresas matrices y subcontratas utilizan CATIA de forma estandarizada. • Es un software ya conocido de antemano, pues en el Grado de Ingeniería Aeroespacial de la ETSI de Sevilla existe una asignatura que diseño asistido por ordenador que enseña a utilizar alguno de sus módulos más comunes como: Part Design, Assembly Design, módulos de mecanizado (CAM) , etc. • Es un programa que reúne no solo herramientas para diseñar piezas, realizar ensamblajes de conjuntos, renderizado de modelos y simulación del movimiento de mecanismos en un mismo entorno. • CATIA V5 es uno de los programas CAD/CAM/CAE más potentes y completos del mercado, siendo el software líder en la industria por lo que tener destrezas y conocimientos en el uso de esta herramienta puede ser útil de cara a obtener oportunidades laborales en una oficina de diseño. 8 2.5 Módulos empleados Explicadas las características y utilidades que ofrece CATIA V5 para el diseño asistido por ordenador ahora se expondrán los distintos módulos empleados para el desarrollo del modelado y recreación virtual del motor, explicando brevemente las funciones que ofrece cada uno. 2.5.1 Sketcher Este módulo presente dentro de “Mechanical Design” permite crear perfiles en dos dimensiones con los que poder posteriormente construir elementos tridimensionales. Ha sido uno de los módulos más utilizados en el desarrollo del trabajo. En “Sketcher” se presentan las distintas órdenes necesarias para realizar un perfil con distintas formas, sea este abierto o cerrado. Tiene también comandos que permiten crear formas predefinidas útiles como rectángulos, hexágonos, círculos, elipses, arcos de circunferencia, perfiles de herradura etc. Además, tiene comandos para generar curvas usando puntos elegidos de antemano o realizar cónicas como parábolas. Por otro lado, tiene funciones para crear redondeos, chaflanes, definir ejes y puntos para definir simetrías siendo importante recalcar que presenta distintos comandos recogidos dentro de la herramienta “Constraints” para permitir definir y fijar el tamaño y la geometría de los perfiles. 2.5.2 Part Design En este módulo, que al igual que el anterior está dentro de “Mechanical Design”, se podrá realizar modelos tridimensionales a partir de los perfiles y figuras bidimensionales diseñadas en el “Sketcher”. En “Part Desgin” tenemos funciones que permiten extruir perfiles generando así elementos tridimensionales ( funciones “Pad”), así como realizar vaciados (funciones “Pocket”) o agujeros en las piezas ( funciones “Hole”). También tiene herramientas para crear perfiles que siguen una Figura 2.6: Entorno de CATIA V5. 9 trayectoria pudiendo así generar elementos como barras o raíles en una pieza ( funciones “Rib”) o generar canales o huecos con la forma del perfil (funciones “Slot”). Cuenta también con herramientas para la realización de chaflanes o redondeos en las aristas de las piezas ( funciones “Chamfer” y funciones “Edge Fillet”) así como comandos para generar patrones con infinidad de formas de elementos existentes en la pieza ( funciones “Pattern”). Son también interesantes las herramientas que presenta para generar sólidos de revolución o generar recortes o vaciados en una pieza a partir de un perfil que se revoluciona respecto a un eje de referencia (funciones “Shaft” y funciones “Groove”). 2.5.3 Assembly Design Este módulo se encuentra dentro de “Mechanical Design” y permite ensamblar en un mismo entorno distintas piezas realizadas anteriormente en “Part Design” permitiendo generar productos complejos como partes de maquinaria, mecanismos, estructuras etc. Las principales herramientas que cuenta este módulo van dirigidas a definir las restricciones de movimiento que tendrán los distintos elementos que constituirán un ensamblaje. Estas son, por ejemplo, el comando “Fix” que mantiene fijo un elemento en el espacio impidiendo sus traslaciones o giros. La herramienta “Coincidence” podemos imponer concentricidad, coaxialidad o coplanaridad. Con “Offset” podemos definir la distancia de separación entre dos planos y “Contact” fuerza a el contacto entre dos elementos constitutivos. 2.5.4 DMU Kinematics Este módulo presente dentro del conjunto de herramientas englobadas bajo el nombre de “Digital Mockup” permite la recreación virtual y animación de los distintos mecanismos que pueden componer un ensamblaje de un producto. Las principales herramientas empleadas en la elaboración del trabajo son aquellas englobadas dentro del menú de funciones “Kinematics Joints”. En este módulo encontramos los distintos comandos que permitirán definir los distintos tipos de uniones que se utilizarán para modelar el movimiento de los distintos componentes del mecanismo. Con “Revolute Joint” establecemos la coincidencia entre dos piezas y permitimos el giro relativo entre ellas alrededor de un eje perpendicular común a ambas. “Prismatic Joint” fuerza un movimiento de carácter rectilíneo seguido por una pieza respecto a otra que actuará como si fuese una guía o carril. “Rigid Joint” permite unir dos piezas entre sí de forma que se muevan como un conjunto. El comando “Cylindrical Joint” implemente la rotación y/o traslación alrededor de un eje coincidente entre dos piezas. Otras herramientas importantes son las que nos permitirán simular el movimiento del mecanismo del motor, estas se engloban dentro del menú “DMU Generic Animation”. Con la herramienta “Simulation” se selecciona el mecanismo de estudio y si los grados de libertad del mismo son cero (DOF =0) se podrá visualizar el movimiento del mismo. La animación se compilará y guardará por medio del comando “Compile Animation ”pudiendo elegir la velocidad de movimiento y el formato. 16 Más adelante, en 1807 el ingeniero y empresario estadounidense Robert Fulton desarrolló el primer barco de vapor que obtuvo un gran éxito comercial dando lugar al primer servicio regular de transporte acuático a vapor de la historia [52]. Esta embarcación llevaba ruedas de paletas a ambos lados del casco y permitió a sus pasajeros recorrer la distancia que separa la ciudad de Nueva York de Albany navegando por el río Hudson, este barco tomó el nombre de “The Clemont” [53]. Estos barcos se hicieron muy famosos y empleados para surcar los ríos de los Estados unidos como por ejemplo el río Mississippi [54]. Robert Fulton también desarrolló también el primer barco de guerra propulsado por vapor conocido como “Demologos” siendo este construido aún de forma tradicional con madera. Este barco dio Figura 3.9: El “Perseverance” de John Fitch [50]. Figura 3.10: El “Charlotte Dundas” de William Symington [51]. Figura 3.11: “The Clemont” de Robert Fulton [55]. 17 servicio durante la defensa del puerto de Nueva York durante la Guerra de 1812 contra el ejército inglés[56]. El navío “Savannah” se convertiría en 1819 en el primer buque propulsado por vapor, además de vela, en cruzar el océano Atlántico. Gracias a su planta motora de vapor con rueda de palas pudo realizar el viaje en tan sólo 27 días en vez los 40 días que invertían los veleros de su época aproximadamente en cubrir este viaje, como bien se cuenta en [58]. Sin embargo, el público general sentía desconfianza en el desempeño del barco e incluso algunos llamaban a este de forma despectiva como ataúd flotante. Por lo que su primer viaje se realizó sin pasajeros [59]. Es importante resaltar que el “Savannah” cruzó el Atlántico usando principalmente sus velas, pese a usar la planta motora de vapor en ocasiones, por lo que algunos afirman que el primer barco de vapor que realizó un viaje transatlántico completo fue el “SS Royal William” en 1833. Otros que reclaman este título son por ejemplo algunos barcos británicos como el “SS Great Western” o el “SS Sirius” que llegaron a Nueva York entorno al año 1838 usando solo la energía del vapor, según se lee en [59]. Los motores de vapor mejoraron enormemente la capacidad productiva y la eficiencia de muchas industrias existentes. Una de estas industrias que se benefició enormemente de la llegada de las máquinas de vapor fue la industria textil. Figura 3.12: “Demologos”, primer barco de guerra a vapor de Robert Fulton [57]. Figura 3.13: Planos generales del “Savannah” [60]. 18 Edmund Cartwright diseñó el primer telar mecánico, aunque habría que esperar hasta 1789 aproximadamente para que mejorase el diseño inicial e incluyese como fuerza motriz del mismo las máquinas de vapor que producían la compañía de James Watt y Boulton. [61] Gracias a esta invención, los obreros pasaron de tejer manualmente a solo tener que cambiar o sustituir las bobinas de hilo que se rompían aumentando enormemente la productividad de las fábricas textiles de la época [61]. La industria del acero y del hierro también se benefició de la llegada de los motores vapor. Al principio los motores de vapor se usaban únicamente para bombear agua hacia depósitos, pero con el paso de los años, según [62], se empezaron a utilizar motores de vapor para alimentar los altos hornos mejorando el tamaño y eficiencia de los mismos, aumentando por tanto la producción. También se crearon dispositivos como el martillo de vapor, que permitía dar forma a grandes toneladas de hierro por medio de grandes mazas que eran accionadas por motores de vapor. Uno de los martillos de vapor más famosos fue el colosal martillo de vapor Creusot construido en 1877 en Le Creusot (Francia). Este martillo fue el más grande y pesado del mundo en su tiempo permitiendo aplicar fuerzas de hasta 100 toneladas [63]. Hoy en día sigue existiendo y es una importante atracción turística[64]. A día de hoy, el uso del vapor como fuente de energía sigue estando latente gracias a las centrales geotérmicas. Estas parecieron a principios del siglo XX y eran parecidas en funcionamiento a las centrales termoeléctricas, si bien se utilizan en estas el calor del interior de la Tierra para calentar el agua u otro líquido de trabajo [66]. Este fluido hace girar la turbina de un generador consiguiendo como resultado producir corriente alterna. Luego el fluido se enfría y se devuelve al foco de calor para iniciar de nuevo el proceso[67]. La primera central geotérmica construida en el mundo fue en la población de Larderello en Italia y actualmente tras algunos cambios sigue en funcionamiento [68]. La planta era capaz de producir hasta 2750 kw de electricidad que se destinaban para suplir de energía el sistema ferroviario y a pueblos colindantes[69]. Figura 3.14: Martillo de vapor Creusot en Le Creusot (Francia) [65]. 19 En la primera mitad del siglo XX surgen las centrales nucleares, , como bien se puede leer en [70], siendo estas empleadas para la generación de energía eléctrica a partir del uso de la energía nuclear. La energía nuclear se transforma en energía térmica y a su vez esta se convierte en energía interna al convertir el agua en vapor. La energía interna y la calorífica del agua pasan a ser energía cinética cuando es accionada por la turbina. Finalmente, convierte esta energía cinética en eléctrica. En el siglo XXI, a pesar de algunos desastres nucleares como el de Chernóbil o el de la central de Fukushima de Japón, este método de producción energía es utilizado y se siguen construyendo más y más centrales destacando su proliferación en China, donde actualmente desarrollan reactores sin uranio. 3.3 Un nuevo medio de transporte. Los trenes a vapor Se tiende a pensar que los inicios del ferrocarril se remontan a la época de la Revolución Industrial gracias a los avances y máquinas desarrolladas que se han citado anteriormente, pero los sistemas de transporte por railes llevan acompañándonos desde hace muchos siglos atrás en el tiempo. El primer vestigio del uso de este tipo de sistema de transporte se remonta a la época de la antigua Grecia. Los habitantes de Corintia construyeron un sistema de caminos con carriles llamados diolkos, según se lee en [71], para permitir a las embarcaciones cruzar el istmo de Corinto y así pasar del mar Egeo al Jónico o viceversa evitando así navegar cerca de las costas de la península del Peloponeso. Este particular sistema estuvo operativo por casi 700 años. Figura 3.15: Central geotérmica de Larderello [68]. 20 A lo largo de la Edad Media se desarrollaron distintos sistemas de transporte por railes movidos por la fuerza de animales o la propia fuerza humana con el fin de satisfacer necesidades como el transporte de materiales siendo a partir del siglo XVI ampliamente utilizado para la extracción de materiales de las minas[72]. La evolución de estos sistemas mineros llevó a la aparición con el paso del tiempo a la aparición del primer tranvía de pasajeros, el “Leiper Railroad” de Pensilvania (Estados Unidos) en 1804 [73]. En 1802, el inglés Richard Trevithick construyó en las fundiciones y forjas de “Coalbrookdale”la primera locomotora de vapor que funcionaba sobre railes [75]. Esta locomotora podía arrastrar un convoy de un peso alrededor de las cinco toneladas y podía recorrer quince kilómetros pero a una velocidad no superior a los veincinco kilómetros por hora. Debido a la escasa velocidad que alcanzaba y el gran peso de la misma, según se lee en [76],pues era demasiado pesada para discurrir por los raíles de hierro fundido utilizados por los carromatos de caballos, dejó de utilizarse muy pronto. Figura 3.16: Representación del uso de los diolkos [71]. Figura 3.17: El tranvía Leiper Railroad [74]. 21 George Stephenson, ingeniero inglés, fue el artífice de mejorar los diseños de Trevithick y convertir las locomotoras de vapor en una forma de transporte rápida, masiva y fiable [78]. Stephenson desarrolló en 1815 una máquina de vapor para ser usada en minas con el fin de extraer carbón en grandes cantidades, pero a una baja velocidad. En 1825 desarrolló la locomotora conocida como “Locomotion” para la línea ferroviaria entre Stockton y Darlington, siendo la primera locomotora de vapor que pudo ser usada para transporte público [79]. La “Locomotion” de Stephenson dio el pistoletazo de salida a la carrera del ferrocarril, convirtiendo a este en el primer medio de transporte masivo de la historia de la humanidad permitiendo trasladar grandes cantidades de personas y/o productos en un menor tiempo [81]. La construcción de la línea entre Liverpool y Manchester en 1830 fue la primera del mundo y consolidó la fama de este medio de transporte. Antes de esta inauguración, como bien se dice en [81],se realizó en octubre de 1829 un concurso entre distintas locomotoras de vapor conocido como “Las Pruebas de Rainhill”. El claro ganador de este concurso respetando todas las reglas y requerimientos impuestos fue la locomotora “The Rocket” desarrollada por George y su hijo Robert. A partir de este momento Stephenson dirigió la construcción de ferrocarriles por toda Inglaterra y otros países de Europa además de seguir desarrollando muevas máquinas [82]. Figura 3.18: Representación de la locomotora de Trevithick [77]. Figura 3.19: La “Locomotion” de Stephenson [80]. 22 Los trenes de vapor dominaron el transporte durante todo el siglo XIX y principios del siglo XX pero la aparición de las locomotoras diésel-eléctricas aceleró el final de esta tecnología. No obstante, fueron bastante utilizadas aún en Europa y América del Norte hasta mediados del siglo pasado y en algunos países siguieron siendo utilizadas hasta finales de siglo. Pese a ser máquinas sencillas y adaptables a una gran variedad de combustibles lo cierto es que las locomotoras de vapor eran mucho menos eficientes y rápidas que las locomotoras eléctricas o de diésel, requiriendo de una gran cantidad de mantenimientos y paradas a lo largo de un recorrido parara suministrar agua a la caldera. 3.4 Locomotoras de vapor con válvulas Joy David Joy fue un ingeniero inglés que se dedicó al diseño de locomotoras. Joy destacaba no solo por ser un ingeniero con una gran imaginación e inventivo, sino también por ser un excelso dibujante, según [84]. Fue muy reconocido en su época por su contribución en el desarrollo de motores de vapor para los que dibujó los planos. A lo largo de su carrera profesional, Joy patentó muchos inventos y mecanismos destacando en el desarrollo de mecanismos de engranaje de válvulas. Joy trabajó en empresas de construcción de locomotoras destacando su paso por la compañía de Shepherd & Todd donde se convertiría en dibujante jefe[84]. Durante su estancia en esta compañía desarrolló la famosa locomotora “Jenny Lind 2-2-2” para el ferrocarril de Londres, Brighton y la costa sur en 1847 [85]. Figura 3.20: Locomotora “The Rocket” de Stephenson [83]. Figura 3.21: La locomotora Jenny Lind 2-2-2 [86]. 23 En 1879, David Joy siendo en aquel momento superintendente de locomotoras del antiguo ferrocarril de Oxford, Worcester y Wolverhampton desarrolló un engranaje de válvulas para locomotoras de vapor conocido como engranaje de válvulas de Joy [87]. Este sistema dio muy buenos resultados y demostró ser eficiente y fácil de mantener por lo que, según se lee en [88], por muchos años fue un sistema estándar en las locomotoras de vapor de ferrocarriles como el de Londres, Lancanshire y Yorkshire. Muchos otros fabricantes de locomotoras utilizaron el sistema de Joy como por ejemplo la empresa John Fowler & Co . El tipo de locomotora que más usaba este sistema fue la locomotora rusa clase O, construyéndose más de 4500 máquinas con este sistema [88]. Fue tal el éxito de este sistema que incluso se utilizó para máquinas de vapor de incluso coches como el llamado “vagón de vapor doble” [90]. Estos eran unos automóviles fabricados por los hermanos Doble entre el 1909 y 1931 en los Estados Unidos. El modelo más famoso y que aún en día se siguen conservando modelos fue el modelo E. Figura 3.23: Motor de vapor de un vagón de vapor doble. Presenta el sistema de válvulas de engranajes de Joy [91]. Figura 3.22: Locomotora de vapor clase O rusa conservada en el museo del ferrocarril de Moscú [89]. 24 El sistema de Joy también fue empleado en algunos barcos de vapor como por ejemplo el barco “Schönbrunn” construido en Hungría por la compañía austriaca “Erste Donau-DampfschiffahrtsGesellschaft”. [93] Actualmente el barco está restaurado y es posible realizar viajes en el por el río Danubio más de 100 años después de su fabricación. [94] El funcionamiento del motor puede verse con detalle a través de un vídeo recogido en la bibliografía [95]. Figura 3.24: Automóvil de vapor Doble, modelo E [92]. Figura 3.25: El barco de vapor Schönbrunn cuenta con un motor de vapor con el sistema de válvulas de Joy [94]. Figura 3.26: Imagen 1 del motor del Schönbrunn [95]. 25 Figura 3.27: Imagen 2 del motor del Schönbrunn. Captura obtenida del vídeo vía YouTube disponible en [96]. Figura 3.28: Imagen 3 del motor del Schönbrunn .Captura obtenida del vídeo vía YouTube disponible en [96]. Figura 3.29: Esquema del mecanismo de válvula de engranajes de Joy [97]. 32 Realizamos un proceso análogo para definir el vaciado del nivel inferior de la preforma de la base, que está detallado en las siguientes imágenes. Figura 4.7: Pieza 1-01. Pocket en nivel superior. Figura 4.6: Pieza 1-01. Sketch para Pocket en nivel superior. 33 Ahora realizamos una serie de agujeros en la base superior e inferior dónde irán contenidos algunos de los elementos que conforman el motor. Para ello utilizaremos de nuevo la función “Pocket”. Figura 4.8: Pieza 1-01. Sketch para Pocket en nivel inferior. Figura 4.9: Pieza 1-01. Pocket en nivel inferior. 34 La base del motor presenta una serie de resaltos y pequeñas bases adicionales dónde irán alojadas algunas de las piezas que componen el motor cómo el bloque de cilindros o los pilares dónde en insertan las bielas y la rueda. Detallamos a continuación cómo se han obtenido. Los resaltos presentan de manera adicional una serie de agujeros donde irán los tornillos que anclarán las distintas piezas que deban sustentar. Los agujeros los realizaremos mediante la herramienta “Hole” que nos permitirá definir el diámetro, posición y tipo de agujero. En este primer caso el agujero es simple y no es roscado, tendrá una profundidad de 8 mm. Figura 4.11: Pieza 1-01. Pad de resaltos para la base inferior. Figura 4.10: Pieza 1-01. Pockets internos en base inferior y superior. 35 Como los resaltos en esta superficie son simétricos respecto al plano YZ, podemos usar la función “Mirror” que nos permite trasladar una operación realizada de forma simétrica al otro lado del plano. Para realizar los “Holes” en el resalto rectangular de la base inferior utilizaremos de nuevo el comando “Hole” y en este caso usaremos la herramienta “Rectangular Pattern” pues la disposición de estos agujeros es simétrica respecto a YZ. Con esta función podemos definir el número y espaciado de distintos agujeros u otros elementos respecto a uno de referencia. En este caso el “Hole” es roscado y con métrica estandarizada M6. Para definirlo usamos la opción “Threared” y definimos la profundidad del roscado de forma adicional a lo que se hacía en el caso de agujero simple. Figura 4.12: Pieza 1-01. Hole base inferior, resalto circular. Figura 4.13: Pieza 1-01. Hole base inferior, resalto circular. Figura 4.13: Pieza 1-01. Hole base inferior, resalto circular. 36 Siguiendo esta metodología y funciones del módulo de “Part Design” de CATIA V5 realizaremos el resto de los resaltos y los agujeros (roscados o no) de la base. Figura 4.14: Pieza 1-01. Hole base inferior, resalto rectangular. Figura 4.15: Pieza 1-01. Rectangular Pattern, resalto rectangular. 37 Utilizando “Pocket” y “Rectangular Pattern” obtenemos el siguiente resultado. Posteriormente realizaremos un “Sketch” y un “Pad” para generar las bases en dónde estarán ancladas las dos piezas que actuarán de soporte de parte del mecanismo de transmisión del motor. Estas bases además contarán con agujeros roscados de métrica M6 para atornillar estos soportes. Figura 4.16: Pieza 1-01. Pad de resaltos en la parte superior de la base. Figura 4.17: Pieza 1-01. Pockets en resaltos en la parte superior de la base. 38 Figura 4.18: Pieza 1-01. Sketch para resaltos altos en base superior. Figura 4.19: Pieza 1-01. Pad para resaltos altos en base superior. Figura 4.20: Pieza 1-01. Pocket para resaltos altos en base superior. Figura 4.20: Pieza 1-01. Pocket para resaltos altos en base superior. 39 Una vez definido uno de los agujeros roscados con “Pocket”, utilizamos el comando “Rectangular Pattern” para realizar el resto de los agujeros en el resalto. Una vez realizada esta operación la pieza está modelada al completo respecto a los planos de referencia. Sin embargo, para evitar la presencia de esquinas y aristas puntiagudas se procede a realizar redondeados y chaflanes a lo largo de la pieza, de esta forma se evita cualquier peligro de corte a la hora de manipularla para su ensamblado. Para realizar los chaflanes y los redondeados se utilizarán las funciones de “Edge Fillet” y “Chanfler” del módulo de “Part Design” de CATIAV5. Los radios de redondeo y chaflanados empleados son de 0,5 mm y 1 mm, el uso de uno u otro ha dependido del tamaño de la zona de la pieza a tratar. El resultado final de la pieza 1-01, base del motor, es el que se muestra a continuación. Es importante remarcar que a pesar de mostrarse la pieza en el modo de visualización por defecto de CATIA V5, esta ha sido modelada teniendo en cuenta que el material constitutivo es aluminio (se puede utilizar aluminio o acero, el uso de uno u otro es a gusto del fabricante), ya que es un metal ligero y manejable. 4.2 CRANKSHAFT BEARING HOUSING (Pieza 1-02) Esta pieza es el alojamiento del cojinete del cigüeñal (pieza 2-03). Esta pieza a su vez está formada por dos componentes que irán atornillados, siendo luego alojada en uno de los resaltos de la base del motor. Figura 4.21: Pieza 1-01 modelada. 40 4.2.1 Pieza 1-02-1 Primero realizamos un “Sketch” del cuerpo principal de la pieza. Para ello empleamos “Circle” y “Ellipse” para generar las partes con curvatura de la pieza. Posteriormente aplicamos un “Pad”. Posteriormente, realizamos un “Pad” y un “Hole” simple para luego aplicar “Mirror”. Con ello definimos el conducto dónde estará alojados los tornillos que fijen la pieza 1-02-1 a la pieza 1-02-2. Figura 4.23: Pieza 1-02-1. Pad cuerpo principal. Figura 4.22: Pieza 1-02. Sketch cuerpo principal. 41 Ahora realizaremos el elemento de la pieza que se encargará de albergar la pieza 1-04, siendo esta un elemento decorativo del modelo. Para ello, realizaremos un “Sketch” y un “Pad”. El “Sketch” lo definiremos en un plano distinto del que nos da CATIA V5 por defecto. Para definir un plano auxiliar usaremos la herramienta “Plane” y definiremos un plano paralelo al XY a una distancia de 29 mm del de referencia. Figura 4.24: Pieza 1-02-1. Mirror de Pad y Hole. Figura 4.25: Pieza 1-02-1. Plane 48 Posteriormente haremos un vástago roscado con métrica M3 con un “Pad” y el comando “Thread/Tap”. Finalmente, usaremos el comando “Edge Fillet” para redondear los bordes de la tapa del depósito. La pieza estará fabricada de latón. 4.5 EXSPANSION LINK SHAFT SUPPORT (Pieza 1-05) Esta pieza será el soporte del eje dónde se encuentran las guías por dónde se moverá el sistema de palancas combinadas (ensamblaje de piezas SA-2-205) que transmitirán el movimiento del pistón Figura 4.38: Pieza 1-04. Thread en vástago. Figura 4.39: Pieza 1-04 modelada. 49 (pieza 2-01) a la barra deslizante que moverá el husillo (pieza 2-09) que regula el paso de vapor de la cámara de vapor superior del motor a la cámara de pistones inferior permitiendo así el correcto funcionamiento del mismo. Además, esta pieza irá roscada a la base del motor. El proceso de modelado será el siguiente, primero por medio de un “Pad” definimos la base rectangular de la pieza. Seguido de otro “Pad” para definir el cuerpo de la misma, finalmente con un “Pad” más definimos la zona cilíndrica superior de la pieza. Hecho esto retiramos material del cuerpo de la pieza por delante y por detrás con el comando “Pocket” quedando cómo resultado lo siguiente. Se seguirá con la realización de los agujeros en la parte cilíndrica de la pieza con el comando “Hole”. Figura 4.40: Pieza 1-05. Preforma realizada con diversos “Pad”. Figura 4.41: Pieza 1-05. Pocket en cuerpo de pieza. 50 El agujero pequeño de la parte superior contará con un avellanado y no será roscado al igual que el agujero pasante de mayor diámetro. Para terminar, se realizará el redondeado de los bordes de la pieza como se viene haciendo en anteriores piezas con el comando “Edge Fillet”. Quedando como resultado final el siguiente modelo. La pieza estará fabricada en aluminio. Esta pieza que hace la función de soporte además cuenta con una pieza cilíndrica hueca de bronce que se encontrará alojada dentro del agujero de mayor diámetro de la cabeza de la pieza. Esta pieza hace la función de cojinete, este permite el buen movimiento del eje del sistema de palancas combinadas Figura 4.43: Pieza 1-05 modelada. Figura 4.42: Pieza 1-05. Hole con avellanado en parte superior de la cabeza de la pieza. 51 disminuyendo la fricción entre el soporte y el eje. 4.6 CROSSHEAD GUIDE SLIDE (Pieza 1-06) Esta pieza es la guía por dónde discurrirá el vástago del pistón (pieza 2-01), comunicando el movimiento rectilíneo que realiza el pistón dentro del bloque motor a la biela (pieza 2-05) convirtiendo ese movimiento rectilíneo en un movimiento de rotación en el cigüeñal que será aprovechado por el volante de inercia (pieza 2-04). La pieza será fabricada en latón, según el autor de los planos de referencia. El modelado de la pieza ha seguido el siguiente procedimiento. Primero, se ha realizado un “Pad” con Figura 4.45: Pieza 1-06 modelada. Figura 4.44: Pieza 1-05-1 modelada. 52 su correspondiente “Sketch” que ha definido la geometría de la pieza a grandes rasgos. Posteriormente se han realizado los agujeros roscados de métrica M5 con el comando “Hole” y se ha empleado “Rectangular Pattern” para realizar el resto. Por último, se ha llevado a cabo el rebordeo y chaflanado de las esquinas de la pieza para darle mejor acabado superficial. 4.7 CYLINDER BLOCK (Pieza 1-07) El bloque de cilindros es una de las piezas más importantes del motor, es la cámara a dónde llega el vapor y permite el movimiento del pistón (pieza 2-01) de avance y retroceso según este entre al principio o al final de la cámara siendo esto regulado por la válvula de paso (pieza 2-08). El bloque motor debe soportar elevados esfuerzos debido al movimiento del pistón y las altas temperaturas y presiones del vapor que acciona el conjunto, por ello se utilizará para su fabricación aluminio o acero fundido. Debido a la complejidad de la pieza y al ser el motor modelado una réplica a escala, estos efectos no serán tan notorios por lo que se usará aluminio al ser más fácil de manipular. Para disminuir los rozamientos del movimiento de la cabeza del pistón dentro de la cámara, se utilizan cojinetes de bronce que irán alojados dentro de la cámara. Empezamos el modelado haciendo un “Sketch” con la forma básica del bloque de cilindros y aplicamos un “Pad”. Posteriormente con otro “Pad” y aplicando “Mirror” hacemos la parte delantera y trasera del bloque. Figura 4.46: Pieza 1-07. Pad principal cuerpo. 53 Luego, con el comando “Pocket” realizamos los orificios en la parte superior del bloque que servirán como entradas de admisión para el vapor, siendo estas reguladas por el movimiento de la válvula. Seguido de esto, realizamos con el comando “Hole”, “Rectangular Pattern” y “Circular Pattern” los distintos agujeros simples o roscados alrededor de la pieza. Estos agujeros permitirán anclar el bloque motor a la base y también añadirle piezas como las culatas o la cámara dónde entra el vapor y que aloja la válvula de admisión de gas. Figura 4.47: Pieza 1-07. Pad para parte delantera y trasera cuerpo. Figura 4.48: Pieza 1-07. Pocket en cara superior. 54 Finalmente, rematamos la pieza modelada aplicándole distintos redondeos y chaflanes con los respectivos comandos de CATIA V5 necesarios, quedando como resultado final el siguiente modelo 3D. Se adjunta también el resultado final del modelado de los cojinetes de bronce empleados dentro del bloque motor. Figura 4.50: Pieza 1-07 modelada. Figura 4.49: Pieza 1-07. Holes practicados en la pieza. 55 4.8 CYLINDER FRONT COVER (Pieza 1-08) La culata o tapa de cilindros es la pieza del motor que se encarga del cierre de la cámara de cilindros permitiendo que el vapor a alta presión y temperatura no escape y evolucione dentro del bloque motor de la forma correcta. Al igual que el bloque motor, estará fabricada en aluminio pues debe soportar altas presiones y temperaturas. Esta pieza irá atornillada al bloque de cilindros (pìeza 1-07). El proceso para modelar la pieza es simple, se realizan diversos “Pad” para definir la geometría general de la pieza y posteriormente se realizan los distintos agujeros de la misma con el comando “Hole” y “Circular Pattern”, usando este último para el caso de los agujeros por dónde se roscará la pieza al bloque motor. Figura 4.52: Pieza 1-08. Diferentes Pad realizados. Figura 4.51: Pieza 1-07-1. Modelado cojinetes del bloque de cilindros. 56 4.9 CYLINDER REAR COVER (Pieza 1-09) Esta pieza también es una culata al igual que la modelada anteriormente, sin embargo, esta se encontrará situada en la parte frontal del bloque motor. Además, cuenta con una admisión, pues a través de ella discurre el vástago del pistón (pieza 2-01). Esta pieza estará fabricada en aluminio. Debido a que a través de ella se mueve el vástago, en la admisión cuenta también con un cojinete de cobre para disminuir el rozamiento lo máximo posible y un tope de goma para evitar fugas de vapor entre las holguras que pueda haber entre el vástago y la zona de admisión de la culata. El procedimiento de modelado es análogo al caso anterior, añadiendo los pasos para reproducir la zona de admisión del vástago del pistón. Al igual que la culata anterior, esta irá atornillada al bloque de cilindros (pieza 1-07). Figura 4.53: Pieza 1-08 modelada. Figura 4.54: Pieza 1-09. Pad para zona de admisión. 57 Finalmente, añadimos los redondeados y chaflanados a la pieza para mejorar el aspecto de la pieza y evitar filos cortantes. 4.10 PISTON ROD GLAND (Pieza 1-10) Esta pieza, que será fabricada en bronce, es un casquillo que se conectará a la admisión de la culata frontal del bloque motor (pieza 1-09). Esta pieza junto con el cojinete de bronce y el tope de goma que se colocan dentro de la zona de admisión de la culata permiten el correcto recorrido del vástago del pistón además de dotar de la mayor estanqueidad posible al conjunto, evitando fugas de vapor que empeorarían el rendimiento del motor. El proceso seguido para su modelado se resume en la ejecución de dos “Pad” para definir la forma general de la pieza y el uso del comando “Hole” para definir los agujeros por dónde discurrirá el vástago y dónde se atornillará este casquillo a la admisión de la culata frontal. Figura 4.55: Pieza 1-09. Diferentes Pocket realizados. Figura 4.56: Pieza 1-09 modelada. 64 4.16 STEAM INLET PIPE (Pieza 1-16) Esta pieza formada por un tubo de cobre y una base de latón es el conducto de admisión de vapor al motor de vapor. La pieza irá atornillada a la pieza 1-12. Para modelar la pieza, modelamos cada elemento por separado y con el módulo “Assembly Design” montamos la pieza final. La pieza ensamblada quedaría de la siguiente forma. Figura 4.68: Pieza 1-15 modelada. Figura 4.69: Pieza 1-16. Tubo de cobre y base de latón. 65 4.17 STEAM OUTLET PIPE (Pieza 1-17) Esta pieza está constituida también al igual que la anterior de una base de latón atornillable y un tubo de cobre. Es el tubo de salida de vapor del motor y se situará fijado al bloque de cilindros (pieza 1-07) en su base. Para el modelado de esta pieza modelamos sus dos componentes por separados y luego los ensamblamos. El modelado de la base de latón es análogo al del caso anterior, con una serie de “Pad” y usando “Hole” además de “Circular “Pattern” definimos su geometría. Para el módulo del tubo de cobre emplearemos una serie de comandos que aún no hemos utilizado. Utilizaremos el comando “Rib” y “Slot”, ambos utilizan para funcionar un “Sketch” que defina el perfil a extruir y otro “Sketch” distinto describa la forma de la curva que será la guía que siga el Figura 4.70: Pieza 1-16 modelado. Figura 4.71: Pieza 1-17. Base de latón. 66 comando para barrer el perfil y generar la forma tridimensional. El comando “Rib” lo empleamos para generar la forma maciza de la pieza y el comando “Slot” lo usamos para eliminar material. Figura 4.72: Pieza 1-17. Sketch para definir la curva que se usará en Rib y Slot. Figura 4.73: Pieza 1-17. Rib. 67 4.18 GUIDE SLIDE KEEPER (Pieza 1-18) Esta pieza formará junto con la pieza 1-06, la guía por dónde discurrirá la base a la cual está unida el vástago del pistón evitando así que realice movimientos no deseados, manteniendo así el movimiento rectilíneo oscilante del pistón. La pieza estará fabricada en acero dulce e irá atornillada. El resultado del modelado se muestra a continuación. Figura 4.75: Pieza 1-17 modelada. Figura 4.74: Pieza 1-17. Slot. 68 4.19 REV.LOWER ROCKING SHAFT (Pieza 1-19) Esta pieza irá roscada en uno de los agujeros laterales del soporte del modelo (pieza 1-01). Tendrá la función de servir de soporte a la pieza 2-19 que forma parte del mecanismo que nos permite regular las revoluciones del motor de forma manual. La pieza estará formada por un cuerpo fabricado en acero dulce y un pasador de latón. Figura 4.76: Pieza 1-18 modelada. Figura 4.77: Pieza 1-19 modelada. 69 4.20 REV. UNDER AXLE BRACKET (Pieza 1-20) Esta pieza es un soporte fabricado en acero dulce que se encuentra anclado por debajo del soporte del motor (pieza 1-01) y a él se conectan unas varillas (piezas 2-20) que forman parte del mecanismo biela-manivela que hace funcionar el motor. Esta pieza cuenta con unas protuberancias cilíndricas en sus extremos rematadas con unos orificios dónde descansaran unos pasadores de latón, es en este sitio dónde fijamos uno de los extremos de las varillas. El camino seguido para realizar el modelo es el siguiente, primero con un “Sketch” definimos un perfil con la forma general de la pieza y la extruimos con “Pad”. Luego, retiramos el exceso de material mediante el comando “Pocket” definiendo otro “Sketch” en el proceso. Figura 4.78: Pieza 1-20. Pad forma pieza inicial. Figura 4.79: Pieza 1-20. Pocket para obtener forma general pieza. 70 Hecho esto, ahora de nuevo con “Pad” hacemos en los extremos las protuberancias cilíndricas dónde se conectarán las varillas y con el comando “Hole” hacemos los agujeros necesarios para atornillar la pieza y permitir que puedan alojarse los pasadores de latón. 4.21 PISTON+ROD+CROSSHEAD (Pieza 2-01) Esta pieza está formada por una serie de componentes, se mostrará por separado su modelado y su ensamblaje final dando como resultado la pieza 2-01. Esta pieza la formada por el pistón, el vástago y el conjunto de piezas que formará la base del conjunto y que discurrirá por la base de la pieza 1-06. 4.21.1 PISTON (Pieza 2-01-1) El pistón es uno de los componentes más importantes del motor a vapor. Para un correcto funcionamiento y evitar fricciones con el interior del bloque de cilindros debe ser fabricado con un buen acabado y con tolerancias muy pequeñas. La función del pistón es la de constituir una pared móvil, transmitiendo la energía del flujo de vapor que entra al bloque mediante un movimiento alternativo. Este movimiento es transmitido por una barra (pieza 2-01-2) al eje del cigüeñal. Según el autor de los planos de referencia, el pistón estará fabricado en acero fundido. El proceso seguido para modelar la pieza ha sido el siguiente, por medio de diversos “Pad” hemos definido el cuerpo del pistón. Figura 4.80: Pieza 1-20 modelada. 71 Posteriormente con el comando “Hole” realizamos los dos agujeros practicados en la pieza, siendo el de menor diámetro roscado de métrica M6. 4.21.2 ROD (Pieza 2-01-2) Esta pieza es el vástago que une el pistón con la base(cruceta) que transmitirá el movimiento al cigüeñal. El vástago cuenta con un extremo roscado para conectar el pistón a este, y en su otro extremo de la estructura que permitirá conectar el resto de las componentes del conjunto y que se encargará de desplazarse por las guías designadas y transmitir el movimiento al cigüeñal. Estará fabricado en acero inoxidable. Con un “Sketch” definimos la forma general del extremo del vástago que hará las veces de base móvil y con “Pad” extruimos el perfil. Figura 4.81: Pieza 2-01-1. Pad realizados para definir cuerpo del pistón. Figura 4.82: Pieza 2-01-1. Agujero con rosca realizado con Pocket. 72 Con otros dos “Pad” definimos la forma del vástago. Con el comando “Thread” realizamos la rosca al extremo del vástago, siendo esta de métricas M6. Utilizando “Hole” practicamos los agujeros que serán necesarios para instalar el resto de las componentes del conjunto y con “Chamfer” realizamos chaflanes a las aristas de la pieza. Figura 4.84: Pieza 2-01-2. Vástago creado con Pad. Figura 4.83: Pieza 2-01-2. Forma de extremo de la pieza creada con Pad. 73 4.21.3 ROD BASE (Pieza 2-01-3) Esta pieza es la base a la cual irá anclada la pieza 2-01-2 modelada anteriormente y será la que estará en contacto con el soporte (pieza 1-06) y envuelto por las guías (pieza 1-18). Esta pieza estará fabricada en bronce. Al tratarse simplemente de una placa plana con una serie de taladros para su unión con la base del vástago, su modelado es muy simple. Se ha usado un “Pad”, “Hole” y “Chamfer” para eliminar filos puntiagudos. Figura 4.85: Pieza 2-01-2 modelada. Figura 4.86: Pieza 2-01-3 modelada. 80 4.23.6 Pieza 2-03-6 Se modela con un “Pad” y un “Hole”. Luego, con la función “Edge Fillet” realizamos un redondeo al perímetro exterior de la cara superior de la pieza. Figura 4.98: Pieza 2-03-5 modelada. Figura 4.97: Pieza 2-03-5. Sketch. 81 4.23.7 Pieza 2-03-7 4.23.8 Pieza 2-03 ensamblada Se muestra a continuación el ensamblaje de la pieza 2-03 empleando los componentes detallados y modelados anteriormente y usando pasadores de latón para fijar las distintas piezas. Se han usado colores llamativos, al igual que casos anteriores, para facilitar la identificación de cada pieza en el conjunto. Figura 4.100: Pieza 2-03-7 modelada. Figura 4.99: Pieza 2-03-6 modelada. 82 4.24 FLYWHEEL (Pieza 2-04) El volante de inercia es un elemento pasivo que aporta al sistema una inercia adicional, que le permite almacenar energía cinética. El volante va almacenando esta energía del motor y cuando deja de recibir su par, el volante actúa con su movimiento consiguiendo reducir los tirones y cambios bruscos del movimiento del pistón. Gracias al volante se obtiene pues un movimiento del sistema motor con menores fluctuaciones de velocidad angular y consiguiendo un movimiento más continuo. Debido a la dificultad de mecanizado del volante de inercia de nuestro modelo, utilizaremos para su elaboración el aluminio, para facilitar su mecanizado. A continuación, se mostrará el proceso de modelado del volante de inercia que se detallará a continuación. Primeramente, realizamos dos “Pad” para definir la preforma del volante de inercia a partir del cual obtendremos la pieza final. Figura 4.101: Pieza 2-03 modelada y ensamblada. 83 Posteriormente con el comando “Pocket” definimos el agujero pasante por donde se instalará el volante de inercia al cigüeñal (estará instalado en la pieza 2-03-1). Y con otro “Pocket” y el comando “Circular Pattern” definimos la forma de los radios del volante motor. Luego, creamos un “Sketch” para definir la forma del perfil de la cubierta del volante y con el comando Shaft hacemos un barrido del perfil creando un volumen de revolución. Figura 4.101: Pieza 2-04. Pad’s para definir preforma de partida. Figura 4.102: Pieza 2-04. Pocket’s para definir radios del volante. 84 Figura 4.103: Pieza 2-04. Sketch que define cubierta del volante. Figura 4.103: Pieza 2-04. Sketch que define cubierta del volante. Figura 4.105: Pieza 2-04 modelada. Figura 4.104: Pieza 2-04. Shaft. Figura 4.104: Pieza 2-04. Shaft. 85 Por último, realizamos una serie de rebordes con el comando “Edge Fillet” para rematar la pieza modelada, obteniendo como resultado final lo siguiente. 4.25 CONROD (Pieza 2-05) La biela es la pieza que conecta el cigüeñal al pistón, este elemento mecánico permite transformar el movimiento ascendente y descendente del pistón al movimiento circular del cigüeñal. El autor de los planos indica que cada uno de los componentes que conforma la biela serán fabricados en acero dulce, salvo un cojinete que será de bronce y será el punto de unión entre la biela y la pieza 2-23. 4.25.1 BODY (Pieza 2-05-1) Para el modelado de la pieza primero se realiza una serie de “Pad’s” y “Pocket” que definirán la forma de la parte central de la barra y uno de sus extremos. Para realizar el otro extremo de la biela empleamos también otro “Pad” y con el comando “Pocket” realizamos los diversos agujeros simples y roscados de la pieza. Con el comando “Pocket” realizamos un orificio rectangular adicional. Finalmente, con el comando “Edge Fillet” realizamos los rebordes en las zonas de unión del cuerpo de la biela con los extremos de la misma que servirán para conectar otros elementos a la misma. Figura 4.106: Pieza 2-05-1. Pad forma general. 86 4.25.2 Pieza 2-05-2 Esta pieza cilíndrica será el elemento de unión entre el cuerpo de la biela (pieza 2-05-1) y con la base del vástago del pistón (pieza 2-01-5) estando contenida en un cojinete de cobre (pieza 2-01-4). Para modelarla realizamos dos “Pad” para definir la forma cilíndrica del cuerpo y de sus extremos decrecidos y con el comando “Thread” practicamos sobre estos últimos un roscado de métrica M6 que permitirá fijar esta pieza de la biela al vástago del pistón. 4.25.3 Pieza 2-05-3 Esta pieza es una cuña de acero dulce que estará colocada en el orificio rectangular practicado en uno Figura 4.108: Pieza 2-05-2 modelada. Figura 4.107: Pieza 2-05-1 modelada. 87 de los extremos de la biela y servirá para acomodar y fijar el cojinete de cobre que se alojará en este extremo. Para su modelado solo se ha usado un “Pad”. 4.25.4 Pieza 2-05-4 Esta pieza de forma prismática tiene la misión junto con la pieza anterior fijar el cojinete de cobre que albergará la pieza que una la biela al cigüeñal del motor. El modelado se lleva acabo con un “Pad” para definir la forma de la pieza y con “Hole” hacemos el agujero pasante dónde se alojará el tornillo que fijará la pieza al cuerpo de la biela (pieza 2-05-1). Figura 4.109: Pieza 2-05-3 modelada. Figura 4.110: Pieza 2-05-4 modelada. 88 4.25.5 Pieza 2-05 ensamblada A continuación, se muestra el ensamblado resultante de la pieza 2-05. 4.26 CONROD BIG END BEARING (Pieza 2-06) Esta pieza es el cojinete de cobre que estará albergado en el hueco rectangular de uno de los extremos de la biela anteriormente modelada. El propósito del cojinete es reducir la fricción y mejorar el deslizamiento del perno de unión del cigüeñal (pieza 2-03-2) con la biela. Para modelar el cojinete, primero con un “Pad” definimos una placa plana que servirá de tope para la pieza. Figura 4.111: Pieza 2-05 modelada y ensamblada. Figura 4.112: Pieza 2-06. Pad para definir tope de pieza. 89 Con otro “Pad” definimos la mitad del cuerpo de la pieza y con “Edge Fillet” realizamos unos rebordes a las esquinas de la placa que actúa como tope de la pieza en el hueco donde reside en la biela. Con el comando “Mirror” obtenemos el simétrico de la pieza y con “Hole” realizamos el agujero pasante donde se alojará la pieza 2-03-2 y el agujero en el cual se añadirá el pequeño depósito de lubricante del cojinete. Con esto, el resultado final de la pieza es el siguiente. Figura 4.113: Pieza 2-06. Pad para definir cuerpo de la pieza. Figura 4.114: Pieza 2-06 modelada. 96 4.31 EXP. LINK HOUSING (Pieza 2-11) Esta pieza será la encargada de fijar la pieza 2-16 al cigüeñal (pieza 2-03) siendo esta la guía por donde se desplazará la pieza 2-17 que comunicará el movimiento de la biela del pistón (pieza 2-05) con la biela que mueve el husillo (pieza 2-10) que acciona la válvula de admisión de vapor. Es por tanto una pieza vital para el buen funcionamiento del motor de vapor por lo que deberá tener un mecanizado preciso para evitar fricciones excesivas o un mal encaje de la pieza guía (pieza 2-16) en esta. Por lo que se usará acero dulce para su fabricación pues es un material fácil de mecanizar y dúctil. Esta pieza existe en su versión “a la derecha” y “a la izquierda”, es decir son iguales pero invertidas. Para el modelado se enseñará el proceso seguido para la de tipo “mano derecha” ya que el proceso es el mismo. Primero se realiza un “Sketch” para definir la forma general de la pieza y con “Pad” obtenemos la preforma inicial a partir de la cual realizaremos los distintos mecanizados pertinentes. Figura 4.125: Pieza 2-10 modelada y ensamblada. Figura 4.126: Pieza 2-11. Sketch para definir forma general de la pieza. 97 Luego con “Pocket” hacemos la guía donde se colocará la pieza 2-16 y con el comando “Hole” hacemos los distintos agujeros necesarios para atornillar los distintos componentes pertinentes a la pieza. Finalmente, con “Edge Fillet” eliminamos las aristas y esquinas puntiagudas de la pieza para mejorar el acabado de la misma. 4.32 EXP. LINK HOUSING LINK BAR-1 (Pieza 2-12) La pieza estará fabricada en acero dulce y su función es la de servir de elemento de unión entre dos piezas 2-11. Figura 4.127: Pieza 2-11 RIGHTHAND modelada. Figura 4.128: Pieza 2-11 LEFTHAND modelada. 98 Para modelar la pieza se realizan dos “Pad” para definir la forma cilíndrica del pasador y con el comando “Hole” se realizarán los agujeros pasantes por donde se fijará cada extremo a una pieza tipo 2-11 por medio de unos pernos de latón. 4.33 EXP. LINK HOUSING LINK BAR-2 (Pieza 2-13) Esta pieza al igual que la anterior sirve de elemento de unión entre dos piezas 2-12 y también estará fabricada en acero dulce. El modelado consiste básicamente en dos “Pad” para definir la forma cilíndrica de la pieza pues a diferencia de la anterior esta no tendrá agujeros. Figura 4.130: Pieza 2-13 modelada. Figura 4.129: Pieza 2-12 modelada. 99 4.34 EXP. LINK HOUSING LINK SHAFT-1 (Pieza 2-14) Esta pieza es un cilindro de acero dulce que servirá para unir la pieza 2-18 con una pieza 2-11. La pieza además contará con una hendidura para colocar un pasador de latón que permitirá fijar esta pieza en su posición. Este elemento estará sustentado por la pieza 1-05 que recordemos que tiene la función de soporte y nexo de unión con la base del motor. 4.34.1 Pieza 2-14-1 Para modelar este componente realizamos dos “Pad” para definir el cuerpo de la pieza y con “Pocket” practicamos la hendidura donde estará alojada la pieza 2-14-2. 4.34.2 Pieza 2-14-2 El modelado del pasador se resume en un “Pad” de un perfil circular para obtener la forma cilíndrica del mismo. Figura 4.131: Pieza 2-14-1 modelada. 100 4.34.3 Pieza 2-14 ensamblada 4.35 EXP. LINK HOUSING LINK SHAFT-2 (Pieza 2-15) Esta pieza tiene una función similar a la anteriormente vista, se encontrará descansando en el agujero pasante de la cabeza de la pieza 1-05 pero a diferencia de la anterior no tendrá ningún otro elemento unido a esta más allá de una pieza 2-11. Estará fabricada igualmente en acero dulce. Figura 4.133: Pieza 2-14-2 modelada. Figura 4.133: Pieza 2-14-2 modelada. Figura 4.134: Pieza 2-14 modelada y ensamblada. 101 4.36 EXP. LINK (Pieza 2-16) Esta parte del modelo de motor es la encargada de servir de guía para la pieza 2-17, a la cual estará unida el sistema de elementos que conforma la pieza 2-23 y que es la encargada de transmitir el movimiento del sistema biela-pistón al sistema que permite mover la válvula de admisión de vapor que permite el funcionamiento del motor. Por tanto, el mecanizado de esta pieza debe ser muy preciso para que no haya holguras entre esta pieza y la 2-17 que puede ocasionar un mal funcionamiento o fallo fatal. Estará fabricada en acero dulce. Para modelar la pieza primero desarrollamos un “Sketch” para definir la forma en planta de la pieza que posteriormente extruiremos con el comando “Pad”. Figura 4.136: Pieza 2-16. Sketch para definir forma general pieza. Figura 4.135: Pieza 2-15 modelada. 102 Luego, realizamos otro “Sketch” para definir el perfil que se utilizará en el comando “Slot” para practicar a la forma obtenida anteriormente un vaciado de material, formando así la guía por donde discurrirá la pieza 2-17. Con otro “Sketch” definimos la curva que servirá de referencia al comando para funcionar. Con el comando “Hole” realizamos los agujeros roscados de métrica M3 en la base de la pieza que nos permitirá fijarla en una pieza 2-11. La pieza tiene además practicada una rebaja en una de las caras laterales de la pieza para así facilitar su acomodo en su instalación, pues sin esta no podría entrar bien en el canal dónde se atornillará a la pieza 2-11. Figura 4.137: Pieza 2-16. Slot. Figura 4.138: Pieza 2-16. Pocket en lateral. 103 Por último, recalcar que con el comando “Edge Fillet” realizamos chaflanados en las esquinas de la pieza. 4.37 EXP. LINK NUT (Pieza 2-17) La pieza estará construida en bronce y será el elemento que se desplazará dentro del canal de la pieza 2-16 anteriormente vista. A esta parte del motor irá conectada la pieza 2-23 que comunicará el movimiento de la biela del cigüeñal al mecanismo de barras que moverá la válvula de admisión de vapor al motor. El modelado seguido es parecido al visto en la pieza 2-16. Primeramente, con un “Sketch” definimos la forma en planta de la pieza y posteriormente la extruimos con “Pad”. Figura 4.139: Pieza 2-16 modelada. Figura 4.140: Pieza 2-17. Sketch forma en planta. 104 Posteriormente, con el comando “Hole” practicamos en la pieza el agujero pasante que permitirá conectarla con la pieza 2-23 y con “Chamfer” eliminamos las aristas y esquinas filosas de la pieza. 4.38 LIFTING LINK (Pieza 2-18) Esta barra es la encargada de junto con la pieza 2-20 cambiar el régimen de revoluciones al que funciona el motor de vapor. El operario al hacer girar la rueda de regulación de la pieza 2-20, varía la inclinación del mecanismo que comunica el movimiento del cigüeñal del motor al sistema que permite mover las válvulas de admisión de vapor. Si el operario gira la rueda de forma que esta pieza de enlace baje, las revoluciones del motor bajarán y por el contrario si el enlace sube el motor podrá operar a mayores revoluciones. La pieza estará fabricada en acero dulce y contará con un pasador también en acero dulce que permitirá conectarla a la pieza 2-20 por su vástago por medio de la pieza 2-19. 4.38.1 BODY (Pieza 2-18-1) El modelado de esta pieza se parece mucho al de distintas barras de unión vistas anteriormente. Con diversos “Pad” y “Pocket” definimos el cuerpo de la pieza. Con el comando “Hole” hacemos los agujeros que nos permitirán conectar la pieza al resto del conjunto y con “Edge Fillet” rebordeamos las esquinas filosas de la pieza. Figura 4.141: Pieza 2-17 modelada. Figura 4.141: Pieza 2-17 modelada. 105 4.38.2 LINK (Pieza 2-18-2) El pasador estará fabricado en acero dulce al igual que el cuerpo de la pieza. Modelamos la pieza realizando dos “Pad” para definir el cuerpo de la pieza y con “Hole” realizamos el agujero pasante donde se ubicará un pasador de latón para fijar esta pieza en la anterior y evitar que se salga. 4.38.3 Pieza 2-18 ensamblada Figura 4.143: Pieza 2-18-2 modelada. Figura 4.142: Pieza 2-18-1 modelada. 112 4.42.5 Pieza 2-22 modelada y ensamblada 4.43 COMBINATION LEVER (Pieza 2-23) Esta pieza formada por barras de forma similar a la pieza anterior conecta esta última con la pieza 217, siendo esta la pieza que discurre por el carril de la pieza 2-16 y que permite en combinación con las piezas anteriormente mencionadas transmitir el movimiento de las bielas de los pistones al sistema de barras que se encarga de mover la válvula que controla la entrada de vapor al bloque motor. Los elementos de esta pieza estarán igualmente fabricados en acero dulce. 4.43.1 Pieza 2-23-1 Figura 4.157: Pieza 2-23-1 modelada. Figura 4.156: Pieza 2-22 modelada y ensamblada. Figura 4.156: Pieza 2-22 modelada y ensamblada. 113 4.43.2 Pieza 2-23-2 4.43.3 Pieza 2-23-3 Figura 4.158: Pieza 2-23-2 modelada. Figura 4.159: Pieza 2-23-3 modelada. 114 4.43.4 Pieza 2-23-4 4.43.5 Pieza 2-23-5 Figura 4.160: Pieza 2-23-4 modelada. Figura 4.161: Pieza 2-23-5 modelada. 115 4.43.6 Pieza 2-23-6 4.43.7 Pieza 2-23 modelada y ensamblada Figura 4.162: Pieza 2-23-6 modelada. Figura 4.163: Pieza 2-23 modelada. 116 5 Proceso de Ensamblaje En este capítulo del trabajo se detallará el proceso seguido para realizar el montaje de las distintas piezas y elementos desarrollados anteriormente para montar el modelo de motor a vapor a escala. Las distintas operaciones de ensamblaje se han llevado a cabo de manera que se siga una secuencia lógica para su ensamblaje físico, aunque en algunos ensamblajes de subconjuntos se ha podido realizar una secuencia distinta de cara a clarificar los distintos componentes y elementos de unión que conforman cada parte del motor. Algunos ensamblajes de hecho ya han sido desarrollados anteriormente en piezas como la 2-23 o la 2-01 pues están formadas por distintos componentes. De forma general, en el módulo de “Assembly Design” de CATIA V5 habrá que definir para cada pieza tres restricciones de movimiento para así mantener la pieza en la posición en la que sea requerida y evitando que realice movimientos no deseados o permitidos. En el ensamblaje de un conjunto tendremos una pieza base, que será la pieza que fijaremos en el espacio por medio del comando “Fix” impidiendo todos sus movimientos. El resto de pieza se posicionarán relativamente en torno a ella. 5.1 BEDPLATE El ensamblaje empezará montando sobre la base del motor (pieza 1-01) los distintos soportes en los que irán alojados distintos componentes del motor como el cigüeñal o los rieles por donde discurrirá la base móvil de los diferentes pistones. Fijamos la base del motor (pieza 1-01) a través del comando “Fix”. Figura 5.1: Bedplate. Pieza 1-01 fijada. 117 Teniendo fijada la base, empezamos con la instalación de los soportes principales de los distintos mecanismos que conforman el motor. Los primeros en instalarse serán las piezas 1-05. Para fijarlas en su posición emplearemos tornillos M6x44 de cabeza hexagonal. Los comandos empleados para colocar las piezas en su posición han sido dos “Coincidence Constraint” y un “Surface Contact Constraint”. Los tornillos son colocados en sus respectivos agujeros con un comando “Coincidence Constraint” y un “Surface Contact Constraint”. Seguimos con la instalación de las piezas 1-02, que recordemos son los soportes del cigüeñal del motor. Primeramente, instalamos la base (pieza 1-02-2), para ello usaremos tornillos de cabeza hexagonal M8x20 y arandelas. Posteriormente, colocaremos en el hueco de la misma la pieza 1-03. Para fijar la pieza y los tornillos a la base usaremos de nuevo el comando “Coincidence Constraint” y “Surface Contact Constraint”. Figura 5.3: Bedplate. Pieza 1-02-2 fijada a la base y pieza 1-03 instalada. Figura 5.2: Bedplate. Pieza 1-05 fijada a la base. 118 Por último, colocamos la pieza 1-02-1 y la fijamos a la pieza 1-02-2 por medio de varillas roscadas M8x42 y siendo estas coronadas por tuercas de bellota de métrica M8. También se instala en su compartimiento la pieza 1-04, sirviendo de tapa para el depósito de aceite lubricante. Al igual que antes fijamos los componentes por medio de distintos “Coincidence Constraint” y “Surface Contact Constraint”. Instalamos a continuación las guías (piezas 1-06 y 1-18) por donde discurrirán las bases de los pistones del motor. Con los comandos “Coincidence Constraint” y “Contact Surface Constraint” colocamos las piezas en su lugar correspondiente. Para unir estas piezas a la base del motor emplearemos tornillos M5x28 de cabeza hexagonal y colocándolos de la siguiente forma que se muestra a continuación. Es importante observar que aún quedan dos orificios sin atornillar. Esto se debe a que justo debajo de esta zona se instalará la pieza 1-20, que servirá posteriormente para colocar una de las cabezas de las piezas 2-21. Figura 5.5: Bedplate. Piezas 1-06 y Piezas 1-18 ensambladas y fijadas. Figura 5.4: Bedplate. Pieza 1-02 ensamblada y fijada. Pieza 1-04 colocada y fijada. 119 Para instalar la pieza 1-20 se han usado tornillos métrica M5 y de 34 mm de longitud como indica el autor de los planos. Por último, instalamos la pieza 1-19 en el orificio lateral de la base para así terminar el ensamblaje inicial. 5.2 STEAM ENGINE BLOCK A continuación, mostraremos el procedimiento empleado para el montaje de las distintas partes que componen el bloque motor del modelo a escala. Primero, colocamos dentro de la cámara de cilindros las piezas 1-07-2, que recordemos que son Figura 5.6: Bedplate. Pieza 1-20 instalada bajo la base del motor. Figura 5.6: Bedplate. Pieza 1-20 instalada bajo la base del motor. Figura 5.7: Bedplate. Resultado del ensamblaje. 120 cojinetes de cobre usados para disminuir el rozamiento entre el pistón y la cámara. Para colocarlos en la posición requerida, usamos “Coincidence Constraint” para que el eje de la cámara cilíndrica y el del cojinete sean el mismo y con “Offset Constraint” indicamos que la base del cilindro esté a 12 mm de la cara frontal del bloque de cilindros (pieza 1-07-1). Hecho esto, ahora instalamos las piezas 1-08. Estas piezas son las culatas traseras del bloque motor y estarán atornilladas a este por medio de tornillos de cabeza hexagonal M5x14. Para colocar las culatas y los tornillos en su posición usaremos “Coincidence Constraint” y “Surface Contact Constraint”. Ahora hacemos el mismo proceso con las culatas delanteras del bloque motor (piezas 1-09-1). Figura 5.9: Steam Engine Block. Piezas 1-08 instaladas y fijadas. Figura 5.8: Steam Engine Block. Pieza 1-07-2 instalada en bloque motor (pieza 1-07-1). Figura 5.8: Steam Engine Block. Pieza 1-07-2 instalada en bloque motor (pieza 1-07-1). 121 En la zona de admisión de esta culata, se colocarán unos cojinetes de cobre (piezas 1-09-2) y unos topes de goma (piezas 1-09-3) que evitarán fugas de vapor de los cilindros y reducirán el rozamiento producido por el movimiento de los vástagos de los pistones. A continuación, colocamos la pieza 1-11 en la parte superior del bloque motor. Con dos “Coincidence Constraint” y un “Surface Contact Constraint” la dejamos colocada y fijada en el ensamblaje. Figura 5.10: Steam Engine Block. Piezas 1-09-1 instaladas y fijadas. Figura 5.11: Steam Engine Block. Piezas 1-09-2 y Piezas 1-09-3 instaladas y fijadas. 128 Luego instalamos unos tornillos de cabeza hexagonal M6x44 y tuercas para fijar el conjunto. Por último, instalamos a los extremos de la pieza 2-05-2 unas tuercas de bellota de métrica M6. Finalizado el montaje de este conjunto, procedemos a instalarlo en el modelo del motor. Uno de los extremos de la barra irá instalado en el cigüeñal del motor y el otro servirá para unir este último con el vástago del pistón como bien podemos ver en la siguiente imagen. Figura 5.25: SA-2-203.Tuercas de bellota M6 para fijar la pieza 2-05-2 al conjunto. Figura 5.24: SA-2-203.Tornillos M6x44 y tuercas para fijar el conjunto. 129 5.6 SA-2-204 Este ensamblaje estará formado por la válvula que nos permite regular el paso de vapor al bloque de cilindros (pieza 2-09) y por el vástago que permite moverla (pieza 2-08). Para ensamblar el conjunto, con el comando “Coincidence Constraint” hacemos que el vástago de la pieza 2-08 pase por el agujero practicado en la pieza 2-09. Luego con tuercas de métrica M6 fijamos el vástago usando de nuevo “Coincidence Constraint” y “Surface Contact Constraint”. Figura 5.26: Montaje del conjunto SA-2-203 en la base del motor. . Figura 5.26: Montaje del conjunto SA-2-203 en la base del motor. . Figura 5.27: Ensamblaje del conjunto SA-2-203. 130 Ahora lo instalamos en el modelo del motor en su posición correspondiente. Se ha ocultado la pieza 1-12-1 y se ha aplicado transparencia a las piezas para facilitar la visualización del ensamblaje del conjunto anterior en el bloque motor. 5.7 SA-2-205 A continuación, se realizará el ensamblaje del sistema de piezas que permitirá comunicar el movimiento del cigüeñal al sistema de barras que permitirá mover las válvulas de admisión de vapor. Este ensamblaje recibe el nombre de SA-2-205 en los planos seguidos en este proceso de modelado y ensamblado. Figura 5.29: SA-2-205. Piezas 2-15, 2-16 Y 2-11 instaladas y ensambladas. Figura 5.28: Montaje del conjunto SA-2-203 en el bloque motor. 131 Primero ensamblamos la pieza 2-15 en su agujero correspondiente de la pieza 2-11 con los comandos habituales vistos anteriormente. Luego atornillamos la pieza 2-16 al conjunto con tornillos M3x8 AK C-SINK SCREW. Este subconjunto de piezas se repite tres veces más, unidos entre si por piezas 2-12 y 2-13. Todas estas piezas las fijamos en sus posiciones con “Coincidence Constraint” y “Surface Contact Constraint”. Para finalizar instalaremos las piezas 2-14 y 2-18 en el extremo libre del ensamblaje. Estas piezas permitirán mover el conjunto cuando estén instaladas en la pieza 2-20 y así regular las revoluciones de funcionamiento del motor. Instalamos el conjunto ensamblado en su posición respectiva dentro de la base del motor como vemos a continuación. Para instalar el sistema, utilizaremos como se ha venido haciendo los comandos “Surface Contact Constraint” y “Coincidence Constraint”. Figura 5.31: SA-2-205.Ensamblaje completo del conjunto. Figura 5.30: SA-2-205. Resto de ensamblaje de Piezas. 132 Instalados los subconjuntos principales del modelo, ahora pasamos a añadir el resto de los elementos constitutivos que faltan para acabar el ensamblaje. 5.8 Piezas 2-19 y Pieza 2-20 Estas piezas irán ensambladas a la base del modelo (pieza 1-01) y a la pieza 2-18 que forma parte del subconjunto SA-2-205 visto anteriormente. Primero colocaremos en su posición las piezas 2-19 que servirán para fijar el vástago de la pieza 2-20. Para ello usamos “Coincidence Constraint” y “Surface Contact Constraint”. Luego colocaremos la pieza 2-20 de forma que el vástago quede sujeto en estas piezas, adicionalmente Figura 5.33: Montaje de Piezas 2-19 en el modelo. Figura 5.32: SA-2-205.Ensamblaje en el modelo. 133 se añadirá una tuerca de bellota M6 para fijar la parte inferior del vástago en la pieza 2-19 que está instalada en la base del motor. 5.9 Piezas 2-10, Piezas 2-17 y Piezas 2-23 Primero se instalarán las piezas 2-10, que son las barras que conectan el conjunto SA-2-204 con las piezas 2-23. Para instalarlas se utilizarán tuercas de bellota M4 para fijar el vástago roscado. Usaremos los comandos “Surface Contact Constraint” y “Coincidence Constraint” para esta tarea. El otro extremo de las piezas 2-10 se utilizará para instalar las piezas 2-23, usando para ello de nuevo los comandos mencionados anteriormente. Figura 5.35: Ensamblaje de Piezas 2-10 con el conjunto SA-2-204. Figura 5.34: Montaje de Pieza 2-20 en el modelo. 134 Ahora se colocará en su posición correspondiente las piezas 2-17, que estarán instaladas dentro de los carriles que componen las piezas 2-16. Además, estas piezas irán unidas también a las piezas 2-23 como se muestra a continuación. Para instalar cada pieza 2-17 usaremos una vez el comando “Coincidence Constraint” y dos veces “Surface Contact Constraint”. 5.10 Piezas 2-21 y Piezas 2-22 Primero instalaremos la pieza 2-21 en los pernos que salen de los laterales de la pieza 1-20, para ello usamos “Coincidence Constraint” y “Surface Contact Constraint”. El resultado del proceso se muestra a continuación. Figura 5.36: Ensamblaje de Piezas 2-10 con Piezas 2-23. Figura 5.37: Ensamblaje de Piezas 2-17 con Piezas 2-23. 135 Hecho esto, instalamos las piezas 2-22 donde uno de sus extremos se conectará a las piezas 2-21 y el opuesto a las piezas 2-05 que forman parte del subconjunto SA-2-203. Las piezas 2-23 se conectarán a estas a través de los huecos practicados en sus caras laterales que es por donde discurrirá un vástago que unirá ambos elementos. Instaladas estas últimas piezas, el ensamblaje del modelo a escala del motor a vapor está finalizado. A continuación, se mostrarán distintas vistas del modelo obtenido. Figura 5.38: Ensamblaje de Piezas 2-21 con la Pieza 1-20. Figura 5.39: Ensamblaje de Piezas 2-22 con Piezas 2-23 y SA-2-203. 136 5.11 Resultado final del ensamblaje Figura 5.40: Modelo de motor completo. Vista en perspectiva. Figura 5.41: Modelo de motor completo. Vista lateral. 137 Figura 5.44: Modelo de motor completo. Vista de los componentes móviles. Figura 5.42: Modelo de motor completo. Vista en planta. Figura 5.42: Modelo de motor completo. Vista en planta. Figura 5.43: Modelo de motor completo. Vista del interior del bloque motor. Figura 5.43: Modelo de motor completo. Vista del interior del bloque motor.