INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS TEMA: UNIDAD 6 “VOLANTES”
MATERIA: - D I S E Ñ O II -
DOCENTE: ING. GILBERTO DAMIAN LOPEZ
P R E S E N T A:
Arias Ta Tapia Jeremías
Coatzacoalco!" V#$ac$%z! V#$ac$%z! D&c&#'($# )#l *+,
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INDICE 6.1 Volantes
3
6.2 Diagrama de demanda de energía
8
6.3 Energía de transferencia transferencia
12
6.4 Dimensionamiento Dimensionamiento
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6.5 Materiales ara !olantes
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6!, VOLANTES "n !olante de direcci#n $tam%i&n conocido como !olante o tim#n' es (n tio de control de direcci#n en !e)íc(los. *os !olantes se (tili+an en todo tio de !e)íc(los, desde los a(tom#!iles )asta camiones ligeros - esados. El !olante es la arte del sistema de go%ierno (e es mani(lado or el cond(ctor, generando acciones (e son las resondidas or el resto del sistema. Esto se logra a tra!&s del contacto mecánico directo como los rac/s - el i0#n, con o sin la a-(da de direcci#n asistida, EP, o como en alg(nos coc)es modernos de rod(cci#n rod(cci#n con la a-(da de los motores controlados or com(tadora, conocido como direcci#n de energía el&ctrica. on la introd(cci#n de la reg(laci#n federal de los !e)íc(los en los Estados "nidos en 168, MV 114, 114, se re(iere el %lo(eo de la rotaci#n del !olante, ara imedir el ro%o de !e)íc(los de motor. En la ma-oría de los !e)íc(los esto se logra c(ando se elimina la lla!e del encendido del sistema de encendido $%lo(eo de encendido'.
En
los
!e)íc(los
más
modernos con frec(encia se incl incl((-en en en el !olan !olante te los mandos a distancia de a(dio del a(tom#!il.
El !olante de inercia es, %ásicamente, (n sistema de almacenamiento de energía mecánica. ( rincial característica frente a otros sistemas es la caacidad de a%sor%er - ceder energía en oco tiemo. Es adec(ado ara sistemas mecánicos de ciclo energ&tico discontin(o donde el eriodo de tiemo sea m(- corto, or lo (e, tradicionalmente, se )a (tili+ado en motores - comresores alternati!os, rensas - tro(eladoras, etc.
En !olantes tradicionales la cantidad de energía es menor (e en otros sistemas de almacenamiento, ero en las ltimas d&cadas se fa%rican de materiales com(est com(estos, os, lo (e )a s((esto s((esto (n a(mento nota%le nota%le de s( caacida caacidad d de almacenamiento. Esta inno!aci#n inno!aci#n ermite alicarlos a camos en los (e antes era totalmente imensa%le, or eemlo, ara almacenamiento de energía en a(tom#!iles, trenes o a(to%(ses, sat&lites, etc.
on este n(e!o tio de !olantes se s(eran, en alg(nos asectos, los sistemas clásicos de almacenamiento de energía. Por eemlo, si se comaran con las tradicionales %aterías (ímicas, los !olantes ofrecen ma-or otencia energ&tica, tanto entregada como a%sor%ida.
*os !olantes son má(inas má(inas o disosi disositi!os ti!os (e se (tili+an ara mantener (na determinada relaci#n entre el mo!imiento de rotaci#n del ee de (na má(ina con la otencia otencia (e la misma entrega, entrega, si %ien con f(nciones f(nciones distintas distintas diferenciadas entre sí.
*os !olantes tienen or finalidad, en !irt(d de s( masa e inercia, (niformar dentro de ciertos límites, las !elocidades en los ees de las má(inas motrices e7(estas e7(estas a !ariaciones de%ido al tra%ao motor !aria%le (e le es entregado - al momento resistente de la carga.
El !olante !olante se define define como (n elemento elemento mecánico caa+ de almacenar almacenar energía cin&tica, (sando la inercia restante en (n sistema. El !olante red(ce las !ariaciones en la !elocidad ang(lar, s(a!i+ando de este modo las aceleraciones %r(scas. En ala%ras más sencillas, se (ede decir (e el !olante de inercia se resiste a los cam%ios en s( !elocidad de rotaci#n.
En mecánica, (n .ola/t# )# &/#$c&a o .ola/t# 'oto$ es (n elemento totalmente asi!o, (e nicamente aort aorta a al sistem sistema a (na inerci inercia a adicio adicional nal de modo modo (e le ermite ermite almac almacena enarr energ energía ía cin&tic cin&tica. a.
Este Este
!olante contina s( mo!imiento or inercia c(ando cesa el ar motor (e lo ro(lsa.
De esta forma, el !olante de inercia se oone a las aceleraciones %r(scas en (n mo!imient mo!imiento o rotati!o rotati!o.. sí se consig(e consig(en n red(cir red(cir las fl(ct(aci fl(ct(aciones ones de !elocida !elocidad d ang(lar. Es decir, se (tili+a el !olante ara s(a!i+ar el fl(o de energía entre (na f(ente de otencia - s( carga.
*a misi#n del !olante es ac(m(lar - li%erar energía transitoriamente, ac(m(la energía cin&tica c(ando la !elocidad tiende a a(mentar so%re s( !alor de r&gimen - la cede c(ando c(ando tiende tiende a dismin(ir. dismin(ir.
De &ste modo, modo, la energía energía cin&tica cin&tica de
rotaci#n será má7ima ara (na !elocidad de rotaci#n determinada, - se consig(e (e el motor redondee erfectamente.
"n lado del !olante de inercia sir!e de +ona de fricci#n ara el disco de em%rag(e. El centro del em%rag(e en el !olante, se reali+a mediante ernos9 g(ía o re%orde de fiaci#n.
El lado motor disone de la s(eci#n so%re el cig:e0al - &ste a s( !e+ disone de (n ret&n. En el centro del !olante de inercia se locali+a el coinete ara introd(cir la (nta del ee rimario de la caa de cam%ios.
Vola/t# /t# Moto$ 0&-Maa
Volante Motor ;i9Masa
Este tio de !olante s(stit(-e a los antig(os !olantes motor.
Mediante s( (tili+aci#n - como consec(encia de la red(cci#n de las frec(encias de
resonanc resonancia, ia,
las
!i%raciones !i%raciones
de
la
cadena cadena
cinemátic cinemática a
se
red(cen red(cen
ostensi%lemente ostensi%lemente - ermite (n a(ste más %ao del r&gimen ralentí.
Para entender entender %ien la finalidad finalidad del !olante !olante es necesari necesario o entender entender antes el rinciio de &/#$c&a. *a =nercia es (n comortamiento comn a todos los c(eros materiales, - se (ede res(mir como la resistencia in)erente de todos los o%etos a los cam%ios de !elocidad ->o en la direcci#n del mo!imiento.
"n o%eto o%eto sin mo!imiento mo!imiento tiende tiende a manteners mantenerse e en reoso, reoso, (no en mo!imient mo!imiento o tiende a conser!ar ese mismo mo!imiento - a seg(ir en la misma direcci#n. "n eemlo eemlo de inercia inercia lo tenemos tenemos c(ando c(ando frenamos frenamos (n !e)íc(lo !e)íc(lo !iolenta !iolentamente mente,, entonces n(estro c(ero - ca%e+a ca%e+a tenderá a seg(ir )acia adelante, es
decir,
(e or o r inercia n(estro c(ero, (e esta%a esta% a desla+ándose desla +ándose anteriormente, anteriorm ente, (iera seg(ir desla+ándose desla+ándose en la misma direcci#n l(ego de la frenada.
i en cam%io n(estro a(tom#!il está detenido - arrancamos acelerando %r(scamente n(estro c(ero - ca%e+a se irá )acia atrás, -a (e como diimos anteriormente (n c(ero en reoso tiende a mantener tam%i&n ese reoso.
*a inercia se da o%!iamente tam%i&n en el motor, el ist#n eerce f(er+a de em(e al cig:e0al solamente d(rante el ciclo de e7ansi#n e7ansi#n or lo (e ara (e el cig:e0al cig:e0al contine contine girando girando en los demás ciclos c(ando no )a- em(e es necesario la e7istencia del !olante, (e sencillamente es (na r(eda esada colocada a (n e7tremo del cig:e0al (e ac(m(la inercia reg(lando el mo!imiento del cig:e0al.
El
cig:e0al
sir!e
de
además lato
de
soorte del em%rag(e, ara transmitir o no el mo!imiento del motor.
6!* DIAGRAMA DE DEMANDA DE ENERGIA i se considera (na má(ina a !aor o de com%(sti#n interna mono cilíndrica, ro!ista de (n mecanismo de %iela mani!ela, c(-o es(ema se indica en la fig(ra f ig(ra $ig(ra ?.3',
ig(ra ?.3 ?.3 Mecanismo de %iela mani!ela
la f(er+a f(er+a tangenci tangencial al T (e (e le imrim imrimía ía el mo!imi mo!imient ento o de rotac rotaci#n i#n a la mani!ela, esta%a dada or la e7resi#n@
omo
T
deend deende e
de
los
áng(lo áng(los s
,
-
estos estos
se
modifi modifica can n
contin(amente, T modifica s( intensidad a medida (e el %ot#n A de la mani!ela reali+a (na !(elta comleta. Por tal moti!o, s( momento de rotaci#n, dado or la e7resi#n@
ig(ra ?.4 ?.4 Diagrama de ees coordenados
*a s(erficie comrendida entre la c(r!a de los esf(er+os tangenciales tangenciales OABCDEO, - la línea de a%scisas e, corresonde al trabajo transmitido o motor W m reali+ado or la mani!ela en (na re!ol(ci#n alrededor del ee O.
Este tra%ao es osi%le conocerlo conocerlo a tra!&s del diagrama (e reali+a (n aarato llamado indicador, el c(al se confecciona con los esf(er+os so%re el &m%olo el recorrido del mismo, moti!o or el c(al tam%i&n se lo denomina trabajo indicado , (diendo escri%irse@
i se s(one (e el tra%ao resistente W r r, el c(al se oone al tra%ao W m desarrollado or el motor, es rod(cido or (n esfuerzo resistente medio T r r, se lo odrá reresentar como (na s(erficie rectang(lar OEFGO de %ase 2
r
so%re el ee de a%scisas e, - alt(ra T r so%re el ee de ordenadas, or lo (e se (ede escri%ir@ escri%ir@
Estos tra%aos de%en ser ig(ales, -a (e el tra%ao (e de%e entregar el motor de%e ser el necesario ara !encer el resistente@
Por lo tanto, am%as s(erficies tam%i&n de%erán ser ig(ales, or lo (e se (ede escri%ir@
Es decir (e se (ede o%tener el !alor de T r ig(alando el seg(ndo miem%ro con el rimer miem%ro de - )aciendo asaes de t&rminos, res(ltando@
A%tenido A%tenido el !alor !alor de T r se lo tra+a so%re los mismos ees coordenados del diagrama del tra%ao indicado, con lo (e se tiene el área del tra%ao resi resist sten ente te en la mism misma a esca escala la.. nal nali+ i+an ando do las las dist distin inta tas s +ona +onas s de los los diagramas, en el recorrido e 2
r del %ot#n de la mani!ela, (e dan los tra%aos W m - W r se o%ser!a
en la fig(ra $ig(ra ?.4', (e es@ 19 Para la +ona GO11B es W r C W m 29 Para la +ona 1B122B es W m C W r r 39 Para la +ona 2B2 B3B3 es W r C W m 49 Para la +ona 3B3C 44B 4 4B es W m C W r r 59 Para 4B4 DEF es W r C W m. Es decir (e la má(ina acelera en 2 - 4 - desacelera en 1, 3 - 5. D(rante el recorrido en el c(al es W m C W r r, el e7cedente de
Energía lo almacena el !olante (e se enc(entra encla!ado en el ee, - lo entrega (ando es W r C W m. El almacenamiento de la energía (e entrega el motor lo reali+a, segn se mencionara, de%ido a la inercia (e osee la gran masa rotante del !olante, (e fiamente (nido al ee de la mani!ela de la má(ina, como se o%ser!a en la $ig(ra.?.5' en la c(al se m(estra es(emáticamente es(emáticamente (n motor mono cilíndrico con s( !olante, gira a la misma !elocidad n (e &ste.
6!1 ENERGIA DE TRANS2ERENCIA DEL VOLANTE En la fig(ra se tiene se tiene la reresentaci#n matemática matemática de (n !olante. El !olante, c(-o mo!imiento se mide mediante la coordenada ang(lar , osee (n momento de inercia I. "n momento de torsi#n de entrada T&, corresondiente a (na coordenada &, )ará (e a(mente la !elocidad del !olante.
F (n momento momento de torsi#n torsi#n de carga o
salida salida
T+, con la coordenada
corresondiente corresondiente +, a%sor%erá energía del !olante - )ará (e ierda !elocidad. i
T& se considera ositi!o - T+ negati!o, la ec(aci#n del mo!imiento del !olante es@
En general, T& - T+ (eden deender tanto del !alor de los desla+amientos ang(lares & - +, como de las !elocidades ang(lares G & - G+. in em%argo, normalment normalmente e la caracter característi ística ca del momento de torsi#n torsi#n deende s#lo de (no de estos arámetros. sí, or eemlo, el ar motor introd(cido or (n motor de ind(cci#n deende de la !elocidad del mismo. De )ec)o, los fa%ricantes de motores el&ctricos (%lican, ara s(s diferentes modelos de motor, gráficas gráficas en las (e se detallan las características del momento de torsi#n $o ar motor' - de la !elocidad. Ho o%stante, en la realidad el inter&s no se centra en conocer los !alores instantáneos de las !aria%les !aria%les cinemáticas, sino en anali+ar anali+ar el co'3o$ta'&#/to
4lo(al )#l .ola/t#@ I(ál de%e ser s( momento de inerciaJ I#mo acolar la f(ente de otencia a la carga ara o%tener (n motor #timoJ I(áles son las características del f(ncionamiento res(ltante del sistemaJ e tiene el diagrama de (na sit(aci#n )iot&tica@
M(c)as de las f(nciones momento de torsi#n $ar motor' 9 desla+amiento desla+amiento (e se enc(entran en las sit(aciones rácticas de ingeniería son tan comlicadas (e se de%en integrar or m&todos aro7imados. aro7imados. Por eemlo, eemlo, en la fig(ra, se tiene la gráfica (e relaciona el momento de torsi#n - el áng(lo de la mani!ela ara (n motor de com%(sti#n interna de (n cilindro - c(atro ciclos. P(esto (e (na arte de la c(r!a del momento de torsi#n es negati!a, el !olante de%e de!ol!er arte arte de la energía al motor.
*a integraci#n aro7imada de esta c(r!a ara (n ciclo de 4K rad da (n 'o'#/to
)# to$&5/ '#)&o T' disoni%le ara im(lsar (na carga. El al4o$&t'o )# &/t#4$ac&5/ más sencil sencillo lo es la $#4la )# S&'3o/ esta aro7imaci#n se (ede manear en c(al(ier ordenador - es lo s(ficientemente %re!e como ara emlearse en las calc(ladoras calc(ladoras rograma%les más e(e0as. De )ec)o, se s(ele encontrar generalmente como arte de la %i%lioteca de casi todas las calc(ladoras - minicom(tadoras. minicom(tadoras.
6! DIMENSIONAMIENTO "na !e+ fiado el grado de irreg(laridad irreg(laridad
segn el tio de má(ina ara el c(al
se dimensionará el !olante, se de%e calc(lar el momento de inercia ! del mismo. Este momento de inercia ! deenderá de s( forma constr(cti!a, es decir si será (n cilindro maci+o o con llanta, radios - c(%o. Para todos los casos se de%e tener en c(enta el diámetro o radio de inercia o de giro, es decir a(el en el c(al se considera concentrada la masa.
onsiderando onsiderando (n !olante c(-a masa se )alla concentrada en la llanta, s(
momento de inercia es@
Donde " es el radio medio de la llanta del !olante - m la masa del !olante, la (e en f(nci#n de s( eso es@
6! MATERIALES PARA VOLANTES El dise0o de oleas, lle!a generalmente a (tili+ar llantas de diámetro relati!amente grandes, a los c(ales )a- (e retirarles imortantes imortantes !olmenes de material. El alto coste asociado a los rocesos de fa%ricaci#n $mecani+ado', así como la dific(ltad de conseg(i conseg(irr materiales materiales laminados laminados de grandes grandes diámetros diámetros )ace del moldeo moldeo en f(ndici#n gris, el rincial roceso de fa%ricaci#n de llantas ara oleas.
En el dise0o de !olantes de inercia lo (e )ace adec(ada la (tili+aci#n de la f(ndici#n gris, es or (na arte los grandes diámetros de los mismos - or otra la necesidad de ac(m(lar la ma-or arte de masa en la eriferia.
*as f(ndiciones de )ierro (tili+adas en la fa%ricaci#n de oleas - !olantes de inercia, son las f(ndiciones grises@
*as f(ndiciones de )ierro (tili+adas en la fa%ricaci#n de oleas - !olantes de inercia, son las f(ndiciones f(ndiciones grises@ Para el dise0o de !olantes se eligen los sig(ientes materiales@ acero == 413L, al(minio
?L?5, fi%ra
de
!idrio
cotc)>eo7i - fi%ra de car%ono <3LL>25LL. *os !alores de las roiedades de los c(atro se m(estran en la sig(iente ta%la, donde se a0ade el (retano, -a (e se (tili+a (tili+a como comlemen comlemento to en alg(nas alg(nas alicaci alicaciones ones.. *as roieda roiedades des (e deenden de la orientaci#n de la fi%ra incl(-en la direcci#n, * ara longit(dinal longit(dinal - < ara trans!ersal.
lg(nos elementos elementos (e se fa%rican con el material - de ac(erdo ac(erdo a las normas antes mencionadas@
