16 banco

UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA
CENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIAS EXACTAS E INGENIERIAS
DEARTAMENTO DE MECANICA ELECTRICA

BANCO DE PRUEBAS DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN DIESEL
Chävez Nila Francisco Javier, fjchn@yahoo.com.mx
Hernández Tovar Héctor Armando, armando_hdz37@hotmail.com
Manzano Hernández Carlos Armando, chanok_ma@yahoo.com.mx
Preciado Sandoval Hugo Enrique, gers_preck@yahoo.com.mx

RESUMEN
Se diseñará y elaborará un banco en el cua l se montara un motor de combustión a diesel,
Este banco será diseñado para que soporte el peso del motor, así como tendrá un sistema
de freno de prony, que se incrustara en la salida de la transmisión y podremos actuar con
el mismo torque. Este freno de prony será actuado a través de una palanca que soportara
unas pesas patrón y que actuara la masa directamente sobre un sistema de balatas, llevando
a una velocidad menor cada vez que se coloque mayor peso en la palanca de actuación.
Con las pruebas desarrolladas se podrán obtener curvas características sobre el torque
ejercido en el motor así como en el freno. Llevando una estadística se podrá apreciar la
curva del comportamiento del motor. Se podrá hacer también pruebas de gasto de
combustible a través de un a pipeta graduada cada vez que se haga pruebas. Una de las
características principales de la obtención de datos, es para saber la eficiencia media que es
obtenida solamente con las pruebas, este dato es importante ya que es muy difícil obtenerlo,
según investigaciones este dato es de diseño único de la marca y no se proporciona a nadie.

ANTECEDENTES
Todos los motores de nueva construcción son sometidos a una larga serie de mediciones
alternadas con severas pruebas de durabilidad y de carga, que se repiten hasta que tras una
precisa puesta a punto, se alcanzan los resultados previstos en el proyecto.

Las pruebas principales son las que sirven para obtener los valores relativos al par
motor, la presión media efectiva, la potencia desarrollada, el consumo específico de
combustible, los diferentes rendimientos así como la composición de los gases de escape.

Se han desarrollado varios tipos de frenos basados en distintos principios. Los más
difundidos son:
* Frenos de fricción.

* Frenos hidráulicos

* Frenos eléctricos
* De corriente continua

* De corriente alterna
* De corrientes de Foucault

X EXPODIME “FEBRERO 2005”


DESARROLLO
El cálculo que a continuación se describe es para determinar la palanca, que se utilizara
para el sistema de frenado. Y esto nos lleva al principio del freno de prony, donde por medio
de una palanca se produce una fuerza que actúan sobre un sistema para poder vencer el
torque proporcionado por el motor.

Se sabe que a mayor distancia menor será la fuerza producida para vencer el torque.
La imagen siguiente es como actúan la palanca a través de las distancias despejando desde
el centro del tambor. La distancia del centro al diámetro del tambor es desconsiderada ya
que no actuaría la palanca accionada por una persona. Por lo tanto se inicia desde el doble
de distancia, para tener una distancia considerable.

Estos son los datos del motor proporcionados por el manual del fabricante.

Torque máximo. 367 lb.pie

A una velocidad máxima de 1700 rpm.

Partiremos de la formula del torque t = f × d

Donde: t = torque, torca, momento de torsión en lb.pie N.m

F = fuerza en lb, kg.

d = distancia pie. Metros.

Despejando de la formula se obtiene:

F= t/d

Sustituyendo valores:

F = (367 lb.pie) /(0.656 ft) = 559.4512. lb fuerza.

Para mayor comodidad trabajaremos en el sistema mks.

F = (758.6158 N.m)/(0.20m) = 3793.079 Newton.

Despejamos los N= kg m/s²

Ahora como f = m a.
Donde m = masa en libras, kilogramos.
a = aceleración en m/s².


Se despeja m = f / a. ya que ocupamos la masa para saber que peso utilizaremos para
poder vencer la fuerza que nos produce el torque.

Sustituyendo la formula:
M = f /a. M= (3793.079 kg m/s²) / (9.81 m/s²) = 386.65 kg.

Ahora trabajaremos con una distancia considerable para que sea actuado manualmente el
dispositivo de frenado.

F = (758.6158 N.m) / (0.40 m) = 1896.53 N.

M = f / a = (1896.53 kg m/s²) / (9.81 m/s²) = 193.32 kg

Repitiendo él calculo para una palanca de 0.50 m.

F = (758.6158 N.m) / (0.50 m) = 1517.2316 N.

M = 154.6617 kg

Si determinamos una distancia de 1.00m obtendriamos.

F = 758.6158 N

M = 77.3308 kg.

Con estos calculos se comprueba como utilizar la distancia para un beneficio y tener mejor
resultado en nuestro esfuerzo para frenar el motor.

Ahora si se trabajara aun 80 % del torque máximo tendríamos:



Que el torque será de 606.89 N.m de aquí que:

F = (606.89 N.m) / (0.20 m) = 3034.46 N.

M = 309.3234

Determinamos que a la distancia de 0.80 m

La masa será de 77.3305 kg.

Quiere decir que el proyecto constara con un brazo de palanca de una distancia de
aproximadamente de 1.00 m.

FLECHA DE TRANSMISIÓN
Partiremos en el diseño de esta flecha por su necesidad, la cual es el desarrollar y calcular
una flecha que sea capas de soportar la transmisión del troqué del motor, hacia el sistema
de frenado. Puesto que en este diseño únicamente soportara dos cargas esta flecha, es
necesario una flecha de transmisión directa, además de que las cargas estarán distribuidas
únicamente en sus dos extremos y aparte que estas cargas serán las mismas, puesto que
de un extremo de nuestra flecha se tomara el par desarrollado directamente del volante del
motor, transmitido por un cople de transmisión, y por el otro extremo de la flecha, esta tendrá
que transmitir dicho par hacia el yugo del tambor giratorio que es una de las piezas del
frenado, por lo que tendrá la misma carga pero en este caso opuesta Por el frenado del par
desarrollado, optamos por el desarrollo de una flecha de acero y utilizamos la siguiente
bibliografía para el cálculo de flechas.

Para desarrollar los cálculos de esta flecha, necesitamos datos técnicos del motor, así
como los supuestos por parte del diseño de la flecha; como lo son.

• Troqué máximo desarrollado por el motor a 1700 rpm. (T = 367 lb / pie).

• Diámetro supuesto de la flecha dado por el complemento transmisor de par
desarrollado , el cual se encuentra en el volante del motor y da un diámetro estriado de
( φ = 1 pul ).

• Longitud propuesta de la flecha por parte del diseño ( L =.984 pie ).

Con estos datos comenzaremos con los cálculos necesarios para el desarrollo y
demostración del tipo de material utilizado para la flecha por lo que se necesitan varios
cálculos:

A = ¼ π D 4 , entonces A = .785 pul 2



F = T/d entonces F = ( 367 lb / pie ) / ( .984 pie ).

F = 372.96 lb

Esta será la fuerza aplicada a cada extremo de la flecha, según la posición de la carga, ya
sea aplicándole la carga a la flecha o en contra de ella.

Entonces, ya conociendo las cargas o peso que se encuentran ejerciendo sobre la flecha,
ahora si conoceremos lo distintos cálculos para la selección del material, con base a los
esfuerzos y momentos necesarios.

• Esfuerzo Cortante.- Si un miembro de sección circular esta sujeto a cargas de torsión;
El producto de estas fuerzas cortantes por sus distancias de eje de la flecha, producen
momentos, entonces:

Esfuerzo Cortante ( τ = P / A ) lb. / pul 2.

Entonces τ = ( 372.96 lb ) / ( .785 pul 2 )

τ = 475.108 lb / pul2

• Momento Polar de Inercia .- Este es un dato necesario para saber con diferencias entre
el momento polar de inercia que se obtenga , comparado con el de el tipo de material a
utilizar.

Momento polar de inercia , para circulares macizas

( J = (π D 4 ) / ( 32 ) ) pul4

Entonces J = (π * 1 pul 4 ) / 32

J = .09817 pul 4 .

• Deformación por Cortantes .- Son los ángulos tangentes a las superficies de las
secciones transversales del eje .

Deformación por cortantes ( γ = τ / G ) en radianes.

Donde: τ = Esfuerzo en cortantes.

G = Modulo de elasticidad al esfuerzo cortante lb / pul 2



Lo obtenemos las tablas de materiales según el material que se quiera utilizar.

Entonces G = 12 x 10 6 lb / pul 2

Entonces γ = ( 475.108 lb / pul2 ) / (12 x 10 6 lb / pul 2).

Por lo tanto : γ = 3.95 x 10 –5 rad .

• Angulo de torsión.- Muchas flechas para maquinaria deben diseñarse de tal manera
que no se deformen demasiado .

Entonces ( θ = T L / J G ) rad.

1 pie = 12 pul. Por lo que

θ = ((367 lb pie * 12 ) ( .984 pie * 12 ) )/ ((12 x 10 6 lb/pul 2 ) ( .09817 pul 4 )).

θ = .04414 rad

Todos estos cálculos que se han hecho, han sido para demostrar él porque se utilizo el
material (Acero Laminado en Caliente, Bajo Contenido de Carbono); el cual por tablas, nos
da sus esfuerzos Esfuerzo Cortante ( τ = 36 klb / pul2) y Modulo de Elasticidad G =
12,000 kl / pul2. . Por lo cual nos demuestra que el tipo de material y la distancia de la flecha
es la indicada, puesto que nuestra flecha es capas de soportar los esfuerzos en sus
extremidades, capas de transmitir el par desarrollado por el motor, y soportar el frenado del
mismo.

Banco donde se va a montar el motor de diesel: Este banco se desarrollara para que
sostenga una maquina de combustión diesel, una flecha y un freno de prony.

Para poder realizar este banco de pruebas se realizaran los siguientes diagramas y cálculos:

1. Diagrama de cargas.
2. Diagrama de cuerpo libre.
3. Ecuación de reacciones.
4. Ecuación de esfuerzos cortantes.
5. Diagrama de esfuerzos cortantes.
6. Calculo de momentos flexionantes.
7. Diagrama de momentos flexionantes.

Se determinaran las reacciones por medio de la ecuación de

?M=0


Sumando momentos con respecto al punto de aplicación de una de las reacciones de apoyo.
La ecuación resultante entonces se pude para resolver la otra ecuación.

Usando ? M = 0 sumamos los momentos con respecto al punto de aplicación de la
segunda reacción para determinar la primera.
Ahora para comprobar la exactitud de los cálculos utilizaremos la siguiente expresión
?F=0

Objetivos:
Calcular las fuerzas de reacción en los extremos de la viga esto con el fin de ver las fuerzas
que están soportando cada uno de los apoyos.

Análisis:
Se emplearán las indicaciones para determinar las reacciones. La figura del diagrama de
cuerpo nos permitirá observar como están dadas las reacciones en todos los puntos.

Para poder determinar la reacción Ra sumamos los momentos con respecto al punto A.

? Ma = 0

3Ra = P · L B-C + P · LC-E + P L D-E
3Ra = (4414.5 · 2.85) + (196.2 · 1.10) + ( 490.5· .5) = 13042.39 N· m
3Ra = 13042.39 N· m = 4374.46 N
3m

RE = ? F - Ra
RE = FB + FC + FD – RA
RE = 4414.5+ 196.2 + 490.5 – 4374.46 =1857.35 N m
RE =N

Fuerzas cortantes
Son fuerzas internas que se generan en el material de una viga para equilibrar las fuerzas
aplicadas externamente y para garantizar el equilibrio en todas sus partes.
Las fuerzas cortantes internas que actúa n con dirección hacia abajo se consideran positivas.
Las que lo hacen hacia arriba se consideran negativas.

Para calcular los esfuerzos cortantes nos basaremos en la siguiente formula:

V = R– P
V = esfuerzo cortante
R = reacción en el punto donde se va a comenzar el análisis
P = peso del punto que sé esta analizando.



Objetivo: Trazar el diagrama de fuerza cortante completo.

V = R– P

VA = RA
VA = 3243.84 N

VB = RA – PB
VB =3243.84 – 4414.5
VB = – 1170.65 N

VC = RA – PB – PC
VC =3243.84 – 4414.5 – 196.2
VC = – 1366.85 N

VD = RA – PB –PC – PD
VD = 3243.84 – 4414.5 –– 196.2 - 490.5
VD = – 1857.36 N

VE = RA – PB – PC – PD + RE
VE = 3243.84 –4414.5 –196.2 –490.5+ 1857.35
VE = 0 KN

En el diagrama de esfuerzos cortantes se registran los esfuerzos cortantes que habrá sobre
la viga. Esto se puede observar en el diagrama que se muestra en la Fig. 1 que se muestra
con la letra V

Momento flexionante.
Son los momentos que hacen que la viga asuma su figura característica curvada o
flexionada.

Objetivo
Dibujar el diagrama de esfuerzo flexiónate ( Fig. 1) completo para poder observar donde
están las cargas que podrán ejercer una presión para flexionarla.

MF = MR – MP

MA = (3243.84 ) 0 = 0
MB = MA + Area A-B

Area A-B = VAB x L AB
Area A-B = 3243.84 x .9 =2919.456 N·m



MB = 0 + 2919.456 = 2919.456 N·m
MC = MB + Area BC

Area BC = VBC x L BC
Area BC = - 1170.66 x 1 = - 1170.66 N?m

MC = 2919.456 + ( -1170.66) = 1748.79 N?m
MD = MC + Area CD

Area CD = VCD? LCD
Area CD = - 1366.86 ?.6 = - 820.116 N·m

MD = 1748.79 + ( - 820.116) = 928.68 N·m
ME = MD + Área DE

Área DE = VDE x LDE
Área DE = - 1857.36 ( .5) = -928.68 N·m

MD = 928.68 + (-928.68) = 0 N·m

Con este calculo nos damos cuenta por medio del grafico y los cálculos, en donde está el
esfuerzo más importante para poder calcular el PTR, a continuación con la siguiente formula
seleccionaremos el calibre del PTR usado para ello el momento flexionarte máximo que
obtuvimos de los cálculos anteriores, para así poder seleccionar el PTR que se utilizara para
este banco.

Con la siguiente formula de esfuerzo se seleccionara el PTR

s =M/ Sx
s = esfuerzo
M = momento flector máx.
SX = resistencia del material.

para un perfil 2x2 color azul

s =M/ Sx
s = 12919.45 N/ .00000556 m³ = 218246402.8 Pa

para un perfil 2x2 color blanco
s =M/ Sx

s = 12919.45 N/ .00000755 m³ = 1711185430.46Pa



para un perfil 2x2 color verde
s =M/ Sx
s = 12919.45 N/ .00000843 m³ = 15325563463 Pa

para un perfil 2x2 color verde
s =M/ Sx
s = 12919.45 N/ .00000927 m³ = 1393683926.65 Pa

Después de haber calculado para los cuatro colores del PTR se selecciono el de color azul
debido a que soportara todas las cargas que se le van a colocar.

Fig. 1



RESULTADOS
Los resultado que esperamos obtener con este proyecto son :

- Que los alumnos de la carrera de Ingeniería Mecánica Eléctrica, adquieran
conocimientos básicos sobre el funcionamiento del un motor de combustión diesel.

- Que se comprendan el funcionamiento del frenado para dicho motor.

- Conocer la cantidad de fuerza que se necesita para poder frenar este motor,
utilizando un brazo de palanca y colocándole peso a un extremo para ir deteniendo la
velocidad del motor.

BIBLIOGRAFÍA
v FITZGERALD, Mecánica de Materiales, p 39.
v MANUAL DE REPARACIÓN DE CAMIONES PARA TRABAJO PESADO, Sistema de frenos de aire e
Hidráulicos, p 616.
v MOTT, R. L., Resistencia de materiales aplicadas, Prentice Hall, pp 191- 192, 195 – 201, 204 – 210.
v OBERT, E.F., Motores de Combustión Interna, p 49.
v SEVERNS, W.H., DEGLES, H.E.y MILLES, J.C., Energía mediante Vapor, Aire o Gas , p 14.

Páginas Web
http://www.monografias.com/trabajos/iso9000/iso9000.shtml
http://www.fastresponse.com/isofall.html
http://www.baderna.com/calint.html
http://www.iso4u.com/whatisiso9000.htm
http://www.cse.nau.edu/design/D4P/Egr38.../Presentation.htm
http://www.tqjunior.thinkquest.org/4132/info.htm


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