• CUERPO EDITORIAL
CRNL. DE C.S.M. VÍCTOR VILLAVICENCIO A. PhD.
Rector.
TCRN. DE E.M. DIELO IVANOVISH JIMÉNEZ C.
Director Sede Latacunga
ING. JOSÉ BUCHELI A. MSc.
Jefe de Investigación (I+D+i) y Vinculación
ING. EURO MENA M. MSc.
Director General de la revista
Director del Departamento de Ciencias de la Energía y Mecánica
ING. GERMÁN ERAZO LAVERDE MSc.
Docente Tiempo Completo, Universidad de las Fuerzas Armadas
ESPE/ Editor General, Miembro Grupo SAEM R&D
ENERGÍA MECÁNICA ,
INNOVACIÓN Y FUTURO
Revista de Difusión No.10
ISNN : 1390 - 7395
Publicación Anual
500 EJEMPLARES
• RESPONSABLE LEGAL:
Universidad de Fuerzas Armadas - ESPE Sede Latacunga
Quijano y Ordóñez y Hnas. Páez.
Departamento de Ciencias de la Energía y Mecánica
emecanica@espe.edu.ec
einnovacion-el@espe.edu.ec
wgerazo@espe.edu.ec
032810206 Ext. 4301
Diciembre 2021
500 ejemplares.
• EQUIPO TÉCNICO:
Gestión técnica
Ing. Sonia Chacón Claudio
Diseño de la revista:
Ing. Ruth Pullopaxi Gutiérrez.
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA
• COMITÉ CIENTÍFICO EDITORIAL
PhD. ENDER CARRASQUERO C.
Director Académico del Centro Venezolano de Estudios del
Trabajo y Ergonomía
PhD. MARÍA ELENA VILLAPOLO
CYA.
Docente Auckland
Universty of Technology
PhD. GUSTAVO RODRÍGUEZ
CIYA - UTC
Universidad Técnica de Cotopaxi.
PhD. RICARDO URRUTIA
Universidad de Fuerzas Armadas ESPE Sede Latacunga
ING. ÓSCAR ARTEAGA LÓPEZ MSc.
Universidad de Fuerzas Armadas ESPE Sede Latacunga,
SAEM R&D
ING. NÉSTOR ROMERO G. MSc.
Universidad de Fuerzas Armadas ESPE Sede Latacunga,
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 10 Vol. 1 / 2021, ISSN 1390 - 7395
CONFIGURACIÓN DE PROPULSIÓN DE LOS VEHÍCULOS CONVENCIONALES,
HÍBRIDOS Y ELÉCTRICOS.
PROPULSION CONFIGURATION OF CONVENTIONAL, HYBRID AND ELECTRIC
VEHICLES.
Brian Daniel Vélez Salazar
1
ANÁLISIS MECÁNICO EN EL PROCESO DE CALIBRACIÓN DEL INYECTOR DE
SISTEMAS CRDI BOSCH
MECHANICAL ANALYSIS IN THE CALIBRATION PROCESS OF BOSCH CRDI
SYSTEM INJECTORS
Carlos Andrés Almendáriz Maisincho
1
, José Lizandro Quiroz Erazo
2
, Luis Aníbal Naranjo Pullupaxi
3
DESARROLLO DE LOS MATERIALES Y PROCESOS DE MANUFACTURA EN EL
CAMPO AERONÁUTICO
DEVELOPMENT OF MATERIALS AND MANUFACTURING PROCESSES IN THE
AERONAUTICAL FIELD
José Trujillo Jaramillo
1
, Edison Acurio Armas
2
, Rodrigo Bautista Zurita
3
ESTUDIO ANALÍTICO DEL FENÓMENO DE IMPACTO DE ALTA VELOCIDAD SOBRE
LAMINADOS DE TEJIDOS EMPLEADOS EN LA INDUSTRIA DE LA AUTOMOCIÓN
ANALYTICAL STUDY OF THE IMPACT PHENOMENON OF HIGH-VELOCITY ON
WOVEN LAMINATES USED BY THE AUTOMOTIVE INDUSTRY
Shirley García Castillo
1
, Inés Iváñez
2
, Sonia Sánchez Sáez
3
, Enrique Barbero
4
, Carlos Navarro
5
ANÁLISIS EXPERIMENTAL DE LA ABSORCIÓN DE ENERGÍA DE ELEMENTOS
TUBULARES DE FIBRA DE CARBONO DE SECCIÓN CUADRADA SOMETIDOS A
IMPACTOS TRANSVERSALES
EXPERIMENTAL ANALYSIS OF THE ENERGY ABSORPTION OF SQUARE CARBON
FIBER TUBULAR ELEMENTS SUBJECTED TO TRANSVERSE IMPACTS
Henry Iza Tobar
1
, Shirley K. García Castillo
2
, Inés Ivañez
3
ÍNDICE
10 - 18
31 - 40
19 -30
41 - 47
48 - 53
II
63 - 71
78 - 87
71 - 77
EFECTO DE AVANCE AL ENCENDIDO Y TIEMPO DE INYECCIÓN DE UN SWAP
DE MOTOR SERIE B A 2800 MSNM UTILIZANDO ELECTRÓNICA PROGRAMABLE
PARA MEJORAR LA POTENCIA.
EFFECT OF THE IGNITION TIMING ADVANCE AND INJECTION TIMING OF A SERIE
B SWAP ENGINE AT 2800 MSNM USING PROGRAMMABLE ELECTRONICS TO
IMPROVE THE POWER.
David Arturo Del Castillo Freire
1
, Jorge Fernando Suárez Aimacaña
2
DECAIMIENTO ALFA: UNA REVISIÓN A LA TEORÍA DE GEORGE GAMOW
ALPHA DECAY: A REVIEW OF GEORGE GAMOW’S THEORY
José Guillermo Trujillo Jaramillo
1
, Edison Ramiro Acurio Armas
2
, José Ignacio Trujillo Galarza
3
ANÁLISIS MECÁNICO ESTRUCTURAL DE PROTOTIPO PARA REHABILITACIÓN
EN ADULTOS MAYORES CON PROBLEMAS DE TENDINITIS.
STRUCTURAL MECHANICAL ANALYSIS OF PROTOTYPE FOR REHABILITATION
IN OLDER ADULTS WITH TENDINITIS PROBLEMS
Luis V. Gallo
1
, Willam W. Tumbaco
2
, Luis. E. Toapaxi
3
, Marco A. Pilatasig
4
, Pablo O. Mena
5
III
ESTIMACIÓN DE LA INCERTIDUMBRE DE MEDICIÓN EN EL CONTROL
DIMENSIONAL DE PIEZAS CÓNICAS.
ESTIMATION OF THE UNCERTAINTY OF MEASUREMENT IN THE DIMENSIONAL
CONTROL OF CONICAL PARTS.
Mauricio D. Chiliquinga M.
1
, Edison D. Mañay Ch.
2
54 - 62
REVISTA ENERGÍA MECÁNICA
INNOVACIÓN Y FUTURO
Es una publicación de difusión cientíca de periodicidad anual con ISSN 1390 – 7395,
que relaciona el área de Ciencias de la Ingeniería y Profesiones anes. Pertenece a la
Universidad de Fuerzas Armadas ESPE , Departamento de Ciencias de la Energía y
Mecánica, El Grupo de Investigación SAEM R&D, que permite difundir trabajos de
investigación de profesionales internos y externos con temáticas relacionadas a: Diseño
y mecánica computacional, procesos de manufactura, mecánica de sólidos, energía y
termouídos, sistemas automotrices, petroquímica y mecatrónica, a través de temas de
interés, relevancia y actualidad tecnológica. Dispone de un comité editorial conformado
por personal interno y externo, así como de un amplio grupo de profesionales que realizan
la función de revisores que permiten seleccionar la información a ser difundida a través
de la revsión por pares.
PRESENTACIÓN
IV
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 10 Vol. 1 / 2021, ISSN 1390 - 7395
“La tecnología no es nada. Lo importante es que
tengas fé en la gente, que sean básicamente buenas
e inteligentes, y si les das herramientas, harán cosas
maravillosas con ellas” .-Steve Jobs.
La virtud que conduce para alcanzar metas es la
constancia, es este concepto que se evidencia en la
décima edición de la revista de difusión cientíca
ENERGÍA MECÁNICA, INNOVACIÓN Y FUTURO,
que a través del Departamento de Ciencias de la Energía
y Mecánica de la Universidad de las Fuerzas Armadas – ESPE, se presenta a la
comunidad universitaria y cientíca.
Se observa la participación activa de docentes y la de articulistas invitados
que contribuyen a fortalecer esta publicación, la cual comparte trabajos de
investigación en diversas áreas del conocimiento relacionados con la ciencias de
la ingeniería y profesiones anes, buscando permanentemente la mejora continua
en este interesante proceso de enseñanza aprendizaje que contribuyan al desarrollo
del país, dar a conocer las experiencias adquiridas sobre diversos asuntos como:
materiales usados en la industria, energías alternativas, sistemas automotrices,
mecatrónicos, diseño de materiales así como la implementación de normas técnicas
implementadas en la industria.
Quiero dejar constancia del reconocimiento por el trabajo tesonero, esfuerzo
y perseverancia de todas las personas que han permitido materializar la decima
edición de esta revista cientíca.
Ing. Dielo Ivanovish Jiménez C. MGS.
TCRN. de E.M.
Director
V
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 10 Vol. 1 / 2021, ISSN 1390 - 7395
La X edición de la Revista Energía Mecánica Innovación
y Futuro, realiza la difusión de trabajos de investigación
con el aporte de profesionales de la academia con temas
relevantes a las áreas de ciencias de la ingeniería y
profesiones anes.
Las publicaciones son seleccionadas en base al
procedimiento establecido los mismos que tienen calidad
cientíca y tecnológica generada en la comunidad
académica y el Grupo de Investigación SAEM R&D,
lo que da como resultado la producción de material de interés y consulta para
profesionales, estudiantes de las carreras de ingeniería automotriz, mecánica,
mecatrónica, petroquímica y relacionadas a estos campos del saber.
A través de un proceso riguroso de revisión y selección se han considerado temas
relevantes como procesos de fabricación, energías alternativas, análisis mecánico
computacional, materiales en la industria automotriz, sistemas automotrices,
procesos mecatrónicos así como trabajos de investigación de innovación en las áreas
de ingeniería y profesiones anes.
La motivación permanente a la colectividad y a la comunidad académica nacional
e internacional para contribuir con publicaciones y su difusión a través de esta
publicación de la Universidad de Fuerzas Armadas ESPE, al Grupo de Investigación
SAEM R&D para continuar innovando con excelencia.
Ing. Germán Erazo Laverde MSc.
Editor
VI
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 10 Vol. 1 / 2021, ISSN 1390 - 7395
NÓMINA DE PROFESIONALES QUE COLABORARON COMO PARES DE REVISIÓN
EN LA V EDICIÓN DE ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
Ing. Celin Abad Padilla Padilla Msc. Escuela Superior Politécnica de Chimborazo
Ing. Juan Carlos Rocha Hoyos MSc. Escuela Superior Politécnica de Chimborazo
MSc. Luis Tipanluisa PhD (c) Escuela Superior Politécnica de Chimborazo
Ing. Pedro Moreno MSc. Instituto Superior Tecnólogico Central Técnico
MSc. Sebastián Puma PhD (c) Instituto Tecnologico de Monterrey, México
Ing. Abel Remache MSc. Universidad Central del Ecuador
Ing. Flavio Arroyo Morocho MSc. Universidad Central del Ecuador
Ing. Alex Santiago Cevallos Carvajal Universidad de Fuerzas Armadas ESPE
Ing. Alexandra Corral Díaz MSc.
Universidad de Fuerzas Armadas ESPE
Ing. Leonidas Antonio Quiroz MSc. Universidad de Fuerzas Armadas ESPE
Ing. Luis Antonio Mena Navarrete MSc. Universidad de Fuerzas Armadas ESPE
Ing. Marco Adolfo Singaña Amaguaña MSc. Universidad de Fuerzas Armadas ESPE
Ing. Mario Polibio Jiménez León Universidad de Fuerzas Armadas ESPE
Ing. Víctor Danilo Zambrano León MSc. Universidad de Fuerzas Armadas ESPE
Ing. Wilson Marcelo Román Vargas Mg. Universidad de Fuerzas Armadas ESPE
PhD. Julio César Pino Tarragó Universidad Estatal del Sur de Manabí
Ing. Daniela Alexandra Jerez Mayorga MSc. Universidad Internacional del Ecuador
Ing. Juan José Castro Mediavilla MSc. Universidad Internacional del Ecuador
Ing. Julio César Leguísamo MSc. Universidad Internacional SEK del Ecuador
Ing. Edwin Homero Moreano Martínez MgC. Universidad Técnica de Cotopaxi
PhD. Héctor Luis Laurencio Alfonso Universidad Técnica de Cotopaxi
Ing. Fredy Rosero Obando MSc. Universidad Técnica del Norte
Ing. Ramiro Rosero MSc. Universidad Técnica del Norte
Cristian Laverde Albarracín MSc. Universidad Técnica Estatal de Quevedo
VII
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 10 Vol. 1 / 2021, ISSN 1390 - 7395
Artículo Cientíco / Scientic Paper
Revista Energía Mecánica Innovación y Futuro, X Edición 2021, No. 1 (09)
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ESPE
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 10 Vol. 1 / 2021 (9) ISSN 1390 - 7395 (1/9)
Abstract
The growth of environmental awareness worldwide
has inuenced the dierent aspects of the human
being, one of them being mobility; Thus, hoping that
the vehicles used are as ecient as possible in the use
of energy, therefore, the present work focuses on one
of the main components of the vehicles, such as the
propulsion train, which varies depending on the the
type of vehicle, and the characteristics required by each
of the technologies implemented for the use of energy.
The development shows the main characteristics of the
dierent existing propulsion systems, which will allow
the reader to obtain specialized knowledge about the
variations that vehicles can have and at a certain
moment become relevant information to choose a
specic type of vehicle according to the needs can be
of the ICV, BEV, HEV, PHEV or FCEV type.
Keywords: Propulsion, gears, eciency, hybrid,
energy.
CONFIGURACIÓN DE PROPULSIÓN DE LOS VEHÍCULOS CONVENCIONALES,
HÍBRIDOS Y ELÉCTRICOS.
PROPULSION CONFIGURATION OF CONVENTIONAL, HYBRID AND
ELECTRIC VEHICLES.
Brian Daniel Vélez Salazar
1
1
Instituto Superior Universitario Central Técnico
e-mail :
1
bvelez@istct.edu.ec
VÉLEZ /
CONFIGURACIÓN DE PROPULSIÓN DE LOS VEHÍCULOS CONVENCIONALES, HÍBRIDOS Y ELÉCTRICOS.
Resumen
El crecimiento de la conciencia medioambiental a
nivel mundial ha inuenciado a los diferentes aspectos
del ser humano, siendo uno de ellos la movilidad;
esperando así, que los vehículos utilizados sean lo
más eciente posibles en el uso de la energía, por lo
cual, el presente trabajo se concentra en uno de los
componentes principales de los vehículos como lo es
el tren de propulsión, el cual varía en función
del tipo de vehículo, y de las características que
requiere cada una de las tecnologías implementadas
para el aprovechamiento de la energía. El desarrollo
muestra las características principales de los distintos
sistemas de propulsión existentes, lo cual permitirá al
lector obtener un conocimiento especializado sobre
las variaciones que pueden tener los vehículos y en
un determinado momento constituirse en información
relevante para optar por un tipo especíco de vehículo
acorde a las necesidades pudiendo ser del tipo ICV,
BEV, HEV, PHEV o FCEV.
Palabras Clave: Propulsión, engranajes, eciencia,
híbrido, energía.
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 10 Vol. 1 / 2021 (9) ISSN 1390 - 7395 (1/9)
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Artículo Cientíco / Scientic Paper
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1. Introducción
A nivel mundial, el sector transporte es considerado
como uno de los mayores consumidores de energía,
sin ser la excepción el Ecuador, que según [1] en el
año 2020, el 45,4% de la energía total consumida en el
país se debe a este rubro, que a su vez, constituyeron
37.744 kBEP (Miles de barriles equivalentes de
petróleo), concentrada en combustibles como son las
gasolinas y el diesel, que tras la combustión en
los motores de los vehículos se aprovecha un 30%
de la energía convertida en movimiento en el mejor
de los casos y el resto de la energía no aprovechada,
se disipada en forma de calor y en forma de gases
combustionados que son expulsados al ambiente.
La producción de gases nocivos para el medio
ambiente y para la salud de las personas se ha convertido
en un tema central de discusión de muchos gobiernos,
y de la industria automotriz que con la nalidad de
mejorar el aprovechamiento de la energía y reducir
la contaminación que los vehículos producen, se ha
ido creando varios tipos de vehículos con diferentes
elementos que buscan ser más amigables con el medio
ambiente, teniendo así:
BEV → Vehículo eléctrico de baterías
HEV → Vehículo híbrido eléctrico.
PHEV → Vehículo híbrido eléctrico enchufable.
FCEV → Vehículo eléctrico de celdas de energía.
ICV → Vehículo de combustión interna.
El desarrollo del presente trabajo se centrará´ en la
revisión de los diferentes tipos de trenes de propulsión
o tren motriz de los vehículos, con la nalidad de
conocer sus elementos constitutivos, la forma de
operación y las diferentes características de estos
incluida la eciencia de cada uno.
2. Desarrollo
A. Vehículo eléctrico de baterías BEV (Battery
Electric Vehicle)
Vehículo propulsado por uno o varios motores
eléctricos que transforman la energía química
almacenada en bloques de baterías a energía mecánica
que se puede distribuir a las ruedas por un sistema
de transmisión o engranajes para el movimiento del
vehículo. Consta de tres subsistemas para su adecuado
funcionamiento, primero el almacenamiento de
energía consta de fuente de energía, unidad de
gestión de energía y unidad de carga [2], segundo
la propulsión que se compone de motor eléctrico, el
convertidor electrónico de potencia, el controlador,
la transmisión y las ruedas, y el de auxiliares se
compone de controlador de temperatura, de dirección
asistida y una fuente de energía auxiliar, en la g. 1
se puede observar el ujo de interacción de los
subsistemas, y si se considera ujo inverso de energía
ayuda al frenado regenerativo para recuperarla [3].
Figura 1. Subsistemas de un BEV [4]
Para los vehículos eléctricos de batería su
autonomía se ve afectada por la manera de conducir,
las condiciones climáticas y geográcas, su
longevidad y el tipo de batería, el principal problema
es el almacenamiento ya que el tiempo de carga
de las baterías continúa siendo considerable nada
comparable a completar combustible a un tanque.
B. Vehículos híbridos eléctricos HEV (Hybrid
Electric Vehicles)
Se considera como un vehículo híbrido eléctrico
aquel que funciona a partir de dos o más fuentes de
energía diferentes, sin embargo, en la gran mayoría
de vehículos se disponen de únicamente dos fuentes
de energía, siendo por un lado la proveniente de
combustibles fósiles y transformada por un motor de
combustión interna y por otro lado energía eléctrica
almacenada y transformada por medio de un motor
eléctrico. Entre los objetivos principales de un
vehículo eléctrico se encuentra el ser más eciente
con respecto al consumo de combustible fósil y menos
contaminante que un vehículo que únicamente tiene
un motor de combustión interna.
Con la nalidad de mejorar la eciencia del
vehículo híbrido [7] se debe procurar tener un buen
VÉLEZ /
CONFIGURACIÓN DE PROPULSIÓN DE LOS VEHÍCULOS CONVENCIONALES, HÍBRIDOS Y ELÉCTRICOS.
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Artículo Cientíco / Scientic Paper
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 10 Vol. 1 / 2021 (9) ISSN 1390 - 7395 (1/9)
Figura 3. Propulsión paralela del HEV
3) Tren de propulsión híbrido serie-paralelo:
Este sistema surge a partir de la unión de los
sistemas serie y paralelo como su nombre lo indica
y se logra tras incluir un enlace mecánico adicional
que combina las fuentes de movimiento mecánica
por medio de un conjunto de engranajes planetarios
en un primer sistema como se aprecia en la g.4, el
cual fue simplicado mediante un motor de estator
otante llamado transmotor o transeje, cuyo diagrama
se puede apreciar en la g. 5.
Figura 4. Sistema con engranajes planetarios
Figura 5. Sistema con transmotor o transeje
diseño y operación de sus diferentes componentes
y uno de los más importantes constituye el tren de
propulsión híbrida-eléctrica que según [4] debe tener
características destacadas en:
• Potencia suciente para mover el vehículo.
• Energía suciente acorde a distancias
determinadas de desplazamiento.
• Alta eciencia.
• Baja emisión de gases contaminantes.
Se considera existen 4 tipos principales de trenes
de propulsión asociados a estos vehículos acorte a la
literatura mostrada por [4] - [6].
1) Tren de propulsión híbrido serie: El tren de
propulsión tipo híbrido serie se podría considerar
como el más simple de todos, el cual consiste en la
conexión directa del motor de combustión interna a un
generador eléctrico, el mismo que provee energía para
cargar las baterías y para alimentar al motor eléctrico,
que, a su vez, es el que realiza el movimiento de las
ruedas a través de una transmisión mecánica; como se
puede apreciar en al g. 2.
Figura 2. Propulsión serie del HEV
2) Tren de propulsión híbrido paralelo: Esta
conguración acopla el motor eléctrico y el motor
de combustión a transmisión para transmitir el
movimiento a las ruedas, por medio del funcionamiento
de cualquiera de ellos o los dos al mismo tiempo,
dependiendo del requerimiento de vehículo. La g. 2.
muestra grácamente lo descrito en el presente párrafo.
VÉLEZ /
CONFIGURACIÓN DE PROPULSIÓN DE LOS VEHÍCULOS CONVENCIONALES, HÍBRIDOS Y ELÉCTRICOS.
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
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Artículo Cientíco / Scientic Paper
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4) Tren de propulsión híbrido complejo: Se
considera como un sistema con grandes diferencias
con respecto al tren de propulsión híbrido serie-
paralelo, debido a que permite el ujo de potencia
mecánica de forma bidireccional.
Debido a la complejidad del acoplamiento
mecánico se podría usar una transmisión continua
variable o CVT (Con- stantly variable transmission),
la cual, puede ser controlada a través de mecanismos
hidráulicos, mecánicos, hidro- mecánicos o
electromecánicos. Este sistema también se lo conoce
como e-CVT, cuyo diagrama se muestra en la g. 6.
La g. 7. muestra la estructura del sistema complejo
usado en un vehículo 4x4.
Figura 6. Sistema híbrido complejo
Figura 7. Sistema híbrido complejo 4x4
C. Vehículo híbrido eléctrico enchufable PHEV
(Plug-in Hybrid Vehicle)
El vehículo hibrido eléctrico enchufable por sus
siglas en inglés (Plug-in Hybrid eléctric Vehicle) es
la combinación de un motor de combustión interna
(MCI) alimentado por combustibles fósiles y un
motor eléctrico que lleva como fuente de alimentación
una batería de alto voltaje. Los encargados de dar la
propulsión al vehículo son el motor de combustión
interna y/o el motor eléctrico de acuerdo con el modo
en el que se encuentre el vehículo. Se alimentan de
dos fuentes exteriores de energías, provenientes de los
combustibles derivados del petróleo como la gasolina
y el diésel que permiten mover el motor térmico y,
de la electricidad que es proporcionada por la red
que permite recargar la bacteria. Es básicamente un
vehículo hibrido con una la capacidad de enchufarlo
a la red eléctrica, lo que elimina la dependencia
del motor de combustión interna para la carga de
las bacterias como ocurre en los vehículos híbridos
convencionales. [7]
Desde el punto de vista del cuidado del medio
ambiente y sostenibilidad, se añade la gran ventaja del
vehículo hibrido enchufable de que se puede cargar con
electricidad proveniente de fuentes renovables como
son fuentes eólicas o solares, facilitando la inserción
de estas fuentes en el sector transporte y ayudando
de esta manera a incrementar la eciencia energética
y en consecuencia a disminuir las emisiones que
contaminan el medio. Además, que su carga habitual
será´ a horas de descanso del usuario, es decir por lo
general en las noches, hora en que la electricidad en la
mayoría de los países disminuye su costo [8].
Figura 8. Diferencias entre los tipos de vehículos eléctricos [9]
Los vehículos híbridos enchufable cuentan con
la gran ventaja que, al tener los dos motores como
propulsores de estos, se equilibra la dependencia de
combustibles fósiles y de electricidad, aumentando
su autonomía. En la Fig. 8 se puede observar cómo
aumentando la parte eléctrica también aumentamos el
porcentaje de hibridación, y mientras aumenta la tasa
de hibridación el golpe al medio ambiente disminuye,
y a su vez la complejidad de los sistemas como son
los conoces, acoplamientos, repartición de energía,
entre otros caen aumento hasta eliminar por completo
la presencia de un motor térmico [9].
VÉLEZ /
CONFIGURACIÓN DE PROPULSIÓN DE LOS VEHÍCULOS CONVENCIONALES, HÍBRIDOS Y ELÉCTRICOS.
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No. 10 Vol. 1 / 2021 (9) ISSN 1390 - 7395 (1/9)
D. Vehículo eléctrico de celdas de energía FCEV
(Fuel Cell Electric Vehicle)
1) Pila de combustible: Para comprender de mejor
manera este tipo de propulsión eléctrica es necesario
conceptualizar lo que es una pila de combustible, por
lo que podemos decir que la misma es la encargada
de transformar mediante un proceso electroquímico la
energía que produce un combustible como puede ser
la gasolina o en ciertos casos hidrogeno en una energía
eléctrica. [13] Existen aproximadamente 6 tipos de
pila de combustible, sin embargo, la más utilizada
es la de membrana de intercambio protónico
(PEMFC) en donde el combustible utilizado es el
hidrogeno como se puede observar en la Fig. 20 en
donde se puede aprecia que para que esta pila funcione
es necesario que se suministre a la misma hidrogeno
(H2) y oxigeno (O2), y se obtiene como salida una
fuente de energía eléctrica y agua (H2O), esta última
es también es utilizada para mantener la membrana
humectada [14].
Figura 9. Esquema de la pila de membrana de intercambio protónico.
Las pilas PEMFC son ideales para ser utilizadas en
vehículos de transporte eléctrico y marcas como BMW,
Ford, Honda las han utilizado para la construcción
de los mismos, ya que trabajan a temperaturas que
oscilan entre los 60-120ºC los cual son relativamente
bajas en comparación con otro tipo de pilas, además
de que su rendimiento energético puede llegar a
alcanzar hasta un 50%, otra de las ventajas de este
tipo de pilas es que no solo pueden ser utilizadas
con hidrogeno como combustible principal, sino
que también pueden ser alimentadas con metanol,
aunque con este componente la eciencia se ve
mermada [15].
Además, es necesario tomar en cuenta que las pilas
de hidrógeno son muy superiores a otros generadores
de energía ya que pueden llegar a producir hasta
33kwh por kg consumido, a diferencia del gas natural
o el petróleo que únicamente generan 13.9kwh y
12.4kwh respectivamente, además del hecho de que
reduce drásticamente las emociones de CO2 ya que
como se analizó´ anteriormente el único compuesto
que va a producir a la salida sería agua [16].
2) Tren de propulsión: Tal y como se puede
apreciar en la Fig. 10. la pila de combustible genera
un pequeño voltaje el cual es aprovechado por medio
de dos convertidores DC/DC. El primer convertidor
es utilizado para suministrar el voltaje necesario a
los sistemas auxiliares del vehículo mientras que el
segundo convertidor transere el voltaje de corriente
continua a la entrada del inversor AC/DC [17]. El
inversor es el encargado de convertir la corriente
continua en corriente alterna, esta corriente es la que
posteriormente será´ utilizado por el motor eléctrico.
Adicionalmente el sistema cuenta con una batería
externa la cual de igual manera es cargada con la
ayuda de los dos convertidores DC/DC y además
la misma también se recarga cuando los motores
eléctricos se transforman en generadores y producen
corriente altera, la cual es transformada a corriente
continua con ayuda del inversor.
Figura 10. Tren de potencia de un vehículo eléctrico con pila de
combustible.
Existe otro tipo de conexión para el tren de potencia
utilizado en vehículos eléctricos, el cual se muestra
en la Fig. 11, este esquema posee una conexión más
simple con respecto a la anterior ya que el mismo no
posee ningún tipo de convertidor DC/DC, sino que por
el contrario la corriente generada tanto por la pila de
hidrógeno como por la batería ingresa directamente al
inversor, cabe recalcar que en esta conguración los
dos generadores de corriente se encuentran conectados
en paralelo [18].
VÉLEZ /
CONFIGURACIÓN DE PROPULSIÓN DE LOS VEHÍCULOS CONVENCIONALES, HÍBRIDOS Y ELÉCTRICOS.
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Artículo Cientíco / Scientic Paper
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Figura 12. Diagrama de un motor de encendido provocado.
Figura 13. Diagrama de un motor de encendido por compresión.
2) Tren de propulsión de los vehículos
convencionales: El tren de propulsión de un motor de
combustión interna posee 7 componentes principales
los cuales como se puede observar en la Fig. 14 son:
motor, embrague, transmisión, eje de transmisión,
diferencial, camisas de ejes y ejes [20].
• Motor
Es el encargado de transformar la energía química
de la mezcla de aire-combustible en energía mecánica
la cual se expresa a través de la potencia y el torque.
• Embrague
Es el elemento que se encuentra entre el motor y
la transmisión, consta de dos componentes que son el
disco y el plato de embrague los cuales cuando se unen
entre ellos para permitir trasladar hacia el sistema de
transmisión la potencia y el torque generado por el
motor de combustión interna.
Figura 11. Tren de potencia simple de un vehículo eléctrico con pila de
combustible.
E. Vehículo de combustión interna ICV (Internal
Combustion Vehicle)
1) Tipos de motores de combustión interna: Los
motores de combustión interna utilizados en vehículos
de pasajeros son generalmente de cuatro tiempos y
existen principalmente de dos tipos: los de encendido
provocado y los de encendido por compresión.
• Motores de encendido provocado
A este tipo también se le conoce como motor
Otto o de encendido por chispa, y toman este nombre
debido a la forma en la que se produce la combustión
dentro del cilindro, ya que en el interior del mismo
ingresa una mezcla de aire-combustible, dicha
mezcla en el proceso de compresión incrementa
su presión y temperatura a volumen constante, tal y
como se indica en la Fig. 12 y por medio de un salto
de chispa provocado por un componente denominado
como bujía esta mezcla se combustiona, iniciando así
su proceso de trabajo [19].
• Motores de encendido por compresión
A este tipo más popularmente se le conoce como
motores Diésel, y es que el tipo de combustible
que utiliza es una de las principales diferencias con
respecto a la de encendido provocado, además de que
aquí al cilindro únicamente ingresa aire el cual se
calienta a presión constante en el ciclo de compresión
como se puede ver en la Fig. 13, es por este motivo
que este tipo de motores ya no poseen bujía ya que
la explosión en el cilindro se produce únicamente al
inyectar cierta cantidad de Diésel pulverizado dentro
de la cámara de combustión donde ya se encuentra el
aire a una alta presión y temperatura [19].
VÉLEZ /
CONFIGURACIÓN DE PROPULSIÓN DE LOS VEHÍCULOS CONVENCIONALES, HÍBRIDOS Y ELÉCTRICOS.
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• Transmisión
Es la encargada mediante las diferentes relaciones
de engranajes que podemos encontrar dentro de una
transmisión, regular e incluso invertir las revoluciones
por minuto generada por el motor de combustión de
esta manera podemos obtener ya sea mayor torque o
mayor velocidad del vehículo según las necesidades
encontradas. [21]
• Eje de transmisión
Es el que se encarga de trasladar la potencia de
salida desde la transmisión hacia el diferencial,
se puede decir que este elemento es de conexión y
está constituido por más elementos como son las
denominadas juntas cardan.
• Diferencial
Es un elemento mecánico muy importante ya que
el mismo permite que en una curva las ruedas giren a
distintas velocidades en una curva según el vehículo
lo necesite. Esto lo debe realizar debido a que en una
curva la rueda más alejada a la curva debe realizar un
mayor recorrido en comparación a la que se encuentra
más cercana a la curva, para realizar esta acción de una
manera adecuada el diferencial cuenta con una serie
de componentes como son: cono, corona, satélites y
planetarios [22].
Figura 14. Componentes del tren de potencia de un vehículo
convencional.
3. Conclusiones
El tren de propulsión de un vehículo constituye un
pilar fundamental dentro de la búsqueda de alcanzar
altas eciencias de funcionamiento, no siendo la
excepción el caso de los vehículos eléctricos.
Las investigaciones realizadas por algunas marcas
han permitido el desarrollo de diferentes trenes de
propulsión con mejores características operativas,
conduciendo a que el vehículo tenga una menor huella
de carbono.
La literatura muestra que debido al peso adicional
que tiene los vehículos híbridos se incrementa su
huella de carbono, ya que sigue utilizando un motor
de combustión interna como fuente de energía.
Se evidencio que actualmente el tipo de propulsión
más sencillo constituye el sistema más eciente,
siendo este, el utilizado por los vehículos eléctricos
a baterías y que poseen el motor, el inversor y la
transmisión.
Los vehículos que generan energía a través de
las celdas de hidrógeno se podría considerar poseen
alta eciencia de funcionamiento, y podrían llegar a
complementar en un futuro a los vehículos de baterías
BEV, en el caso de poder reducir los costos de los
conversores de energía, pudiendo así, extender los
rangos de autonomía.
Los vehículos con pila de combustible por
membrana de intercambio protónico son ideales para
el uso en vehículos de transporte ya que trabajan a
relativamente bajas temperaturas y generan una alta
eciencia energética que puede llegar a ser hasta del
50%.
4. Referencias
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de Energía y Recursos Naturales No Renovables,
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CONFIGURACIÓN DE PROPULSIÓN DE LOS VEHÍCULOS CONVENCIONALES, HÍBRIDOS Y ELÉCTRICOS.
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VÉLEZ /
CONFIGURACIÓN DE PROPULSIÓN DE LOS VEHÍCULOS CONVENCIONALES, HÍBRIDOS Y ELÉCTRICOS.
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 10 Vol. 1 / 2021 (9) ISSN 1390 - 7395 (1/9)
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Artículo Cientíco / Scientic Paper
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5. Biografía
1
Brian Daniel Vélez Salazar,
Ingeniero Automotriz Maestrante
en Sistemas de Propulsión
Eléctrica en la Universidad
Técnica de Ambato. Docente en
la carrera de Tecnología superior
en Mecánica Automotriz del
Instituto Superior Universitario
Central Técnico.
REGISTRO DE LA PUBLICACIÓN
Fecha recepción 26 abril 2021
Fecha aceptación 13 junio 2021
VÉLEZ /
CONFIGURACIÓN DE PROPULSIÓN DE LOS VEHÍCULOS CONVENCIONALES, HÍBRIDOS Y ELÉCTRICOS.
Artículo Cientíco / Scientic Paper
Revista Energía Mecánica Innovación y Futuro, X Edición 2021, No. 2 (09)
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ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 10 Vol. 1 / 2021 (9) ISSN 1390 - 7395 (2/9)
Abstract
The present work aims to establish a global vision of
how the development of Materials and Manufacturing
Processes has evolved within the Aeronautical eld.
The current constructors of parts and components of
aircraft, face great challenges to present aeronautical
platforms with greater eciency, in which their
materials allow to improve their properties
and performance while their manufacturing or
manufacturing processes are simple and versatile
to be able to generate complex mechanisms with
aerodynamic shapes.
The recognition, identication, selection of materials
and manufacturing processes are very important in
the eld of engineering, because they provide the
necessary and relevant information in the stages of
design, manufacture and maintenance of what is going
to be built and in this way avoid possible mechanical
and structural failures in aeronautical and aerospace
applications.
Keywords: Aeronautical materials, Manufacture
process, Aeronautical and Aerospace Platforms,
Structural failures.
DESARROLLO DE LOS MATERIALES Y PROCESOS DE MANUFACTURA EN EL
CAMPO AERONÁUTICO
DEVELOPMENT OF MATERIALS AND MANUFACTURING PROCESSES IN THE
AERONAUTICAL FIELD
José Trujillo Jaramillo
1
, Edison Acurio Armas
2
, Rodrigo Bautista Zurita
3
1
Escuela Técnica de la Fuerza Aérea, Latacunga, Ecuador
2
Unidad de Gestión de Tecnologías. Mecánica Aeronáutica Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE, Latacunga, Ecuador
jgtrujillo
1
@espe.edu.ec ,
2
eracurio@espe.edu.ec,
3
rcbautista@espe.edu.ec
TRUJILLO, ACURIO, BAUTISTA /
DESARROLLO DE LOS MATERIALES Y PROCESOS DE MANUFACTURA EN EL CAMPO AERONÁUTICO
Resumen
El presente trabajo tiene como objetivo establecer
una visión global de la evolución el desarrollo de
Materiales y Procesos de Manufactura dentro del
campo Aeronáutico. Los actuales constructores de
partes y componentes de aeronaves, enfrentan grandes
desafíos de presentar plataformas aeronáuticas con
mayor eciencia, en la cual sus materiales permitan
mejorar sus propiedades y rendimiento mientras
que sus procesos de manufactura o fabricación sean
sencillos y versátiles para poder generar mecanismos
complejos con formas aerodinámicas.
El reconocimiento, identicación, selección de
los materiales y procesos de manufactura son muy
importantes en el campo de la ingeniería, en razón de
que estos aportan la información necesaria y pertinente
en las etapas de diseño, manufactura, mantenimiento
de lo que se va a construir y de esta manera evitar
posibles fallos mecánicos y estructurales en las
aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales.
Palabras Clave: Materiales Aeronáuticos, Procesos
de Manufactura, Plataformas Aeronáuticas y
Aeroespaciales, Fallos estructurales.
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1. Introducción
El ser humano siempre tuvo el sueño de volar y
conquistar el cielo, es por esto que desde que se
construyeron los primeros ingenios aeronáuticos,
a inicios del siglo XX hasta la actualidad, sus
diseñadores han utilizado diversos materiales tales
como tela, madera, metales, polímeros, cerámicos,
materiales compuestos y nanomateriales para
su fabricación [1]. La industria aeronáutica está
investigando constantemente y buscando el desarrollo
de materiales innovadores, con el objetivo de crear
aeronaves que sean más rápidas, ligeras y ecientes.
Figura 1. Primeros ingenios aeronáuticos
Fuente: https://historiaybiograas.com
Estos materiales deben cumplir con ciertos
requisitos tales como: ser livianos, tener alta resistencia
mecánica, soportar corrosión, altas temperaturas
y condiciones ambientales severas, por lo que los
cientícos han generado nuevas investigaciones para
fabricar nuevos materiales con propiedades mejoradas
[2].
Figura 2. Evolución de los materiales en el campo aeronáutico
Las piezas y componentes de la Industria
aeronáutica, se pueden dividir en cuatro grupos:
• Fuselaje: Estructuras que incluyen alas,
supercies de control, timones traseros.
• Motores: motores, turbinas y turbofans.
• Estructurales y Sistemas: Tren de aterrizaje,
jaciones y sujeciones del motor, puertas.
• Interior, acabados y detalles: asientos, paneles de
plástico, aviónica y comodidad electrónica [3].
Figura 3. Materiales y Procesos de Manufactura comunes en la
Industria aeronáutica
Los fabricantes de motores de turbinas
aeroespaciales se enfrentan a continuos desafíos para
producir sistemas de propulsión con mayor eciencia
y menores emisiones. Para lograr estos objetivos, se
están implementando tecnologías maduras en sistemas
heredados, se están desarrollando materiales en
evolución y tecnologías de procesos para su aplicación
en sistemas de campo y de próxima generación, y se
están desarrollando tecnologías revolucionarias de
materiales y procesos para cambios radicales en los
futuros sistemas de motores de turbina. (Green, 2009)
Numerosas investigaciones de las características
mecánicas del material durante el funcionamiento de
la turbina de gas revelan una gran acumulación de
daños y la rápida degradación de sus propiedades.
La degradación general es la disminución de la
ductilidad, la resistencia, el límite de resistencia
y, al mismo tiempo, el aumento de la velocidad de
propagación de la uencia y el agrietamiento, etc.
Esto se reere especialmente al material de los bordes
de las cuchillas anterior y posterior. Las grietas y
distorsiones generalmente aparecen solo en estos
lugares, lo que limita la vida útil del motor. (Karpinos,
2013)
Por otro lado, empresas como Boeing, Airbus y
General Electric, desarrollan procesos de manufactura
y concentran su potencial principalmente en
ingeniería y fabricación de aditivos metálicos de
aluminio y titanio, una tecnología que permite generar
partes impresas en 3D más ligeras y más fuertes para
aplicaciones aeronáuticas. La impresión en 3D de
estos tipos de componentes, implica una reducción
drástica de los costes de fabricación, el impacto
ambiental, los tiempos de producción y la masa.
Así mismo, los avances y técnicas manufactureras
han permitido la construcción de partes y componentes
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• Puesta en solución
• Temple
• Maduración natural a temperatura ambiente
• Revenido o maduración articial
Primero se realiza una puesta en solución o
solubilización, que es el proceso mediante el cual la
aleación sube a una temperatura elevada y prolongada
alrededor de los 530ºC. Durante este tratamiento, los
compuestos intermetálicos del tipo de Mg2Si para las
aleaciones de la serie 6XXX y Al2Cu para las series
2XXX, se disuelven y la aleación se transforma en
una solución líquida homogénea.
Posterior a este calentamiento, se procede a un
temple que se trata de un enfriamiento muy rápido del
metal ya sea por inmersión o ducha de agua fría.
Finalmente, después del temple, la solución sólida
sobresaturada está en un estado estable consiguiendo
de esta manera un endurecimiento estructural.
Figura 4. Tratamiento térmico de endurecimiento estructural del
aluminio
Fuente: http://www.alu-stock.es/tecnica/tratamientos
El aluminio 2024, también llamado Aclad es una de
las aleaciones más utilizadas en el sector aeronáutico
en elementos de jación (remaches, tornillos, pernos,
lockbolts, hi-lock, taper-lock, tuercas) capaces
concentrar las cargas concentradas y transferirlas.
Laminado se utiliza en el fuselaje de la aeronave.
Estos elementos deben poseer características como:
• Resistencia a la corrosión.
• Resistencia a la fatiga (Tracción y cortadura).
• Permeabilidad magnética (a ciertos equipos o
sistemas de control)
La aleación de aluminio 6061 es muy dúctil y ligero,
utilizada en estructuras tubulares en la mayoría de
aeronaves experimentales como ultralivianos. Otras
de sus aplicaciones son accesorios de aeronaves,
pasadores de bisagras, pistones de freno y pistones
hidráulicos. Esta aleación es ideal para trabajos con
un buen acabado supercial, presenta facilidad de
aeronáuticos más grandes y complejos de bra de
carbono, kevlar, bra de vidrio permitiendo de esta
forma, tener más del 50% de las aeronaves fabricadas
con materiales compuestos.
Los cerámicos como la berilia, alúmina, silicatos,
carburos o nitratos, son utilizados principalmente
como aislantes térmicos, sin embargo, una de las
aplicaciones en las que este tipo de materiales es muy
estudiado, es en la creación de aviones hipersónicos,
en especial para el desarrollo de la nariz y de los bordes
de ataque de las alas y supercies aerodinámicas. Las
plataformas aeronáuticas o aeroespaciales que utilicen
este tipo de materiales podrán alcanzar velocidades
que bordean Mach 5 o superiores y altitudes muy
grandes, resistiendo temperaturas que superan los
1000ºC.
1. Materiales y procesos de manufactura
1.1. Materiales Metálicos
Aluminio: Las aleaciones de aluminio, dentro del
sector aeronáutico son reconocidas por su elevada
relación de resistencia a bajo peso, resistencia a
la corrosión, conductividad térmica y eléctrica,
exibilidad, apariencia y facilidad de conformado y
facilidad en los procesos de mecanizado.
Estas aleaciones se identican mediante cuatro
dígitos y en algunos casos seguidos por una
designación de tratamiento térmico conocido como
temple:
Tabla1: Codicación de aleaciones de aluminio
Estas aleaciones, con la nalidad de mejorar sus
propiedades mecánicas y darles un endurecimiento
estructural, son sometidas a una secuencia de
tratamientos térmicos:
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maquinado, posee excelentes características para
soldadura fuerte y al arco, además de no ser tóxico.
El aluminio 7075 o duraluminio es utilizado en
vigas, uniones de estructuras, en la fabricación de
fuselajes de ala delta o del área de militar, accesorios
de aeronaves, engranajes, ejes, partes de misiles,
tornillos sin n, es perfecto para áreas en donde es
necesaria una alta resistencia mecánica y además es:
• Resistente a la corrosión (sin embargo, es baja
respecto a otras aleaciones).
• Resistencia a la fatiga.
• La relación resistencia-densidad es alta.
• Alta dureza.
• Alto índice de endurecimiento.
Adicionalmente existen remaches de aleación de
aluminio de los siguientes tipos: aleaciones 1100,
5056, 2117, 2017 y 2024.
Los remaches de aleación 1100 se utilizan para el
remachado de láminas de aleación de aluminio en las
que es adecuado un remache de baja resistencia; en
cambio los remaches de aleación 5056 se utilizan en
la condición para remachar láminas de aleación de
magnesio.
Los remaches de aleación 2117 tienen una resistencia
moderadamente alta y son adecuados para remachar
láminas de aleación de aluminio. Estos remaches
reciben solo un tratamiento térmico, realizado por
el fabricante, y se anodizan después de ser tratados
térmicamente. No requieren más tratamiento térmico
antes de ser utilizados. Los remaches de la aleación
2117 conservan sus características indenidamente
después del tratamiento térmico y se pueden accionar
en cualquier momento. Los remaches hechos de esta
aleación son los más utilizados en la construcción de
aviones.
Figura 5. Relación Resistencia vs Peso de aleaciones de aluminio
Titanio: El titanio se encuentra dentro del grupo de
los metales ligeros que por tener una menor densidad
(4.55 g/cm3) que la del acero; aunque posee mayor
densidad que el aluminio con una densidad de 2.70
g/cm3, el magnesio con densidad de 1.75 g/cm3, y
el berilio con densidad de 1.85 g/cm3, su resistencia
mecánica representa una gran fortaleza ya que bordea
los 1400 MPa.
El titanio además de ser más ligero que el acero,
posee una excelente resistencia frente a los diversos
tipos de corrosión, una buena resistencia especíca
y un elevado punto de fusión (1668°C). Estas
propiedades lo hace un material sustituto del aluminio
en la industria aeronáutica y con gran importancia en
el área aeroespacial; desgraciadamente es muy caro.
Las aleaciones más utilizadas en el campo
aeronáutico son:
Ti-6Al-4V de aplicación general. Esta aleación
posee una excelente combinación de resistencia
y dureza, además de ser muy resistente a ataques
corrosivos por lo que su uso está muy extendido en el
campo aeronáutico.
Ti-5Al-2´5Sn para aplicaciones tubulares.
Ti-6Al-6V-2´5Sn para conjuntos de ala, guías de
aletas y alerones, abrazaderas para el montaje de
motores, conjuntos de frenos y elementos de control
del timón de dirección en el Jaguar, Tornado, Trident,
Airbus, A 300 B y el Concorde.
En la actualidad, la industria aeroespacial está
trabajando con materiales compuestos de una matriz
de titanio con refuerzos cerámicos, los cuales tienen
mayor módulo elástico y resistencia mecánica que
las aleaciones convencionales de titanio. Para este
tipo de materiales compuestos se puede utilizar un
refuerzo en forma de partículas o en bras pequeñas.
La principal ventaja de utilizar un refuerzo en forma
de partículas es su comportamiento isotrópico. Los
refuerzos cerámicos del material deben de permanecer
estables a la temperatura y formar una buena intercara
con la matriz. Se han reportado diferentes familias
cerámicas como reforzantes donde se incluyen SiC,
Al2O3, TiB2, TiC, TiN, B4C, etc. (Lagos, 2019)
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Figura 6. Relación Resistencia vs Peso de aleaciones de titanio
Acero: Al inicio el acero sustituyó a las piezas de
madera en las aeronaves y aunque en la actualidad ha
perdido protagonismo en la aplicación aeronáutica,
todavía se utilizan en aquellas zonas donde la
resistencia mecánica y a la fatiga es muy importante
Las aleaciones de acero que contiene carbono en
porcentajes que van del 0,10 al 0,30 por ciento se
clasica como acero bajo en carbono. Los números
de SAE equivalentes van de 1010 a 1030. Los aceros
de este grado se usan para hacer artículos, como
cables de seguridad, ciertas tuercas, bujes de cables
o extremos de varilla roscada. Este acero en forma de
lámina se utiliza para piezas estructurales secundarias
y abrazaderas y en forma tubular para piezas
estructurales moderadamente tensadas. El alambre de
frenado para las tuercas, se hace también con este tipo
de aceros.
El acero que contiene carbono en porcentajes que
oscilan entre 0.30 y 0.5 por ciento se clasica como
acero de carbono medio. Este acero es especialmente
adaptable para maquinado o forjado y donde la dureza
de la supercie es deseable. Ciertas varillas de mando
de controles de vuelo y forjados ligeros están hechos
de acero SAE 1035, además los aceros de medio
carbono son apropiados para construcción de ejes,
tornillos y bieletas.
El acero que contiene carbono en porcentajes que
van del 0.50 al 1.05 por ciento se clasica como acero
con alto contenido de carbono. La adición de otros
elementos en cantidades variables se suma a la dureza
de la serie 4000: el silicio es el principal elemento
de aleación de este grupo y reduce la temperatura de
fusión. Su uso principal es en soldadura y soldadura
fuerte. Aunque estas aleaciones de acero tienen muy
pocas aplicaciones en aeronáutica por su fragilidad
excesiva, se puede señalar que el acero SAE 1095 se
puede emplear en forma de chapas o alambres para
ejes y resortes.
Los aceros al níquel, se emplean en la construcción
de pasadores, terminales pernos y abrazaderas, ya
que la adición de níquel permite mejorar la dureza,
resistencia mecánica y límite elástico.
Los aceros al cromo se utilizan en cojinetes ya que
tienen una alta dureza, tenacidad y resistencia a la
corrosión.
Las aleaciones de acero al cromo – níquel son
utilizados con la nalidad de aumentar dureza y
tenacidad en el material; partes y componentes tales
como bielas y cigüeñales de los motores recíprocos
se fabrican con acero SAE 3140 y para cajas de
engranajes, piñones y ruedas dentadas, se recomienda
el SAE 3310.
Dentro de esta serie de aleaciones, existen aceros
resistentes a la corrosión los mismos que se utilizan en
partes aeronáuticas tales como: tabiques cortafuegos
de los compartimentos de los motores, colectores,
tubos de escape y lavabos.
Los aceros al cromo - molibdeno, gracias a la
adición de pequeñas cantidades de molibdeno, permite
mejorar las propiedades mecánicas de los aceros, pero
en especial mejora la adaptabilidad a las soldaduras.
La aleación más utilizada para nes aeronáuticos
de esta familia es el SAE 4130 para la construcción
de fuselajes, trenes de aterrizaje y bancadas de motor.
Finalmente para la construcción de ejes de bombas,
muelles de válvulas y dispositivos hidráulicos, se
utiliza el acero SAE 6195.
Tabla 2. Codicación de aleaciones de acero utilizados en aeronáutica.
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hace especialmente apropiados para árboles, anillos
y carcasas. Sin embargo, tienen propiedades de
resistencia en caliente más bajas de las tres que
componen el grupo.
Las aleaciones más comunes de este tipo son:
• Inconel 909
• A286
• Greek Ascoloy
Las aleaciones de cobalto exhiben una resistencia a
la corrosión por calor a elevadas temperaturas mayor
que la de las aleaciones de níquel. Sin embargo, son
más caras y también más difíciles de mecanizar,
debido a su gran tendencia al desgaste. Su uso en
turbinas está limitado a las piezas de la sección de
combustión en las zonas más calientes del motor.
Figura 8. Aleaciones termo resistente utilizado en aeronáutica
Fuente: Catálogo SANDVIK HRSA.2010
Gracias a este tipo de materiales, la durabilidad ha
sido mejorada signicativamente debido a avances
en el diseño de motores, tecnología de propulsión
y desarrollo de materiales. El mejoramiento de
durabilidad permite el mejor uso de aeronaves al
incrementar la vida de los motores y reduciendo las
inspecciones de mantenimiento.
Figura 7. Relación Resistencia vs Dureza de aleaciones de acero
utilizado en aeronáutica.
Super Aleaciones Termoresistentes (HRSA)
Las súper aleaciones termoresistentes o HRSA
(Heat Resistant Super Alloy) son un grupo de
aleaciones base níquel, hierro-níquel y cobalto
usadas en los motores de las aeronaves por sus
excepcionales propiedades de resistencia térmica. Los
materiales usados en los motores de jet deben resistir
largos periodos de tiempo en un ambiente de alta
temperatura, alto estrés y gases corrosivos calientes.
Muchos materiales simplemente no pueden sobrevivir
las severas condiciones en las secciones más calientes
del motor. Cuando las temperaturas alcanzan sobre los
1300°C estas aleaciones, poseen muchas propiedades
que son requeridas para el material de un motor como
son alta resistencia, larga vida a la fatiga, resistencia a
la fatiga y resistencia a alto estrés a alta temperatura.
Las HRSA resisten la corrosión y la oxidación a altas
temperaturas, cuando esto causa el rápido deterioro de
muchos otros materiales metálicos. Estos materiales
pueden operar a temperaturas por encima de los 950-
1300°C por largos periodos, haciéndolos materiales
adecuados para el uso en motores jet modernos.
Las aleaciones de níquel son las más utili¬zadas,
y constituyen más del 50% del peso de los motores
de aeronaves de tecnología punta. La tendencia en los
motores futuros es a aumentar esta proporción. Las
aleaciones más comunes son:
• Inconel 718, Waspaloy, Udimet 720 – templadas
por precipitación
• Inconel 625 – reforzada con solución (no
templada)
Las aleaciones con base de hierro han sido
desarrolladas a partir de los aceros inoxi-dables
austeníticos. Algunos tienen un muy bajo coeciente
de dilatación (tales como Incoloy 909) lo que los
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Figura 9. Relación Resistencia vs Temperatura máxima de servicio de
HRSA utilizado en aeronáutica
Aleaciones de Magnesio
Desde el punto de vista estructural, las aleaciones
de magnesio son las más ligeras que se conocen; su
densidad es 1,7 g/cm3 y su resistencia mecánica se
la considera muy buena. Es de fácil mecanizado y su
materia prima procede de fundición o moldeado. Su
uso en aeronáutica radica en la construcción de partes
y componentes en cárteres, equipos menores y parte
de los trenes de aterrizaje.
Figura 10. Relación Resistencia vs Densidad aleaciones de magnesio
utilizado en aeronáutica
1.2. Materiales y procesos de manufactura
Plásticos y elastómeros
Los plásticos se utilizan en muchas aplicaciones en
los aviones modernos. Estas aplicaciones van desde
componentes estructurales de plásticos termoestables
reforzados con bra de vidrio hasta molduras
decorativas de materiales termoplásticos, canopys y
ventanas.
Los polímeros termoplásticos son aquellos que el
calor los ablanda de tal manera que pueden moldearse
repetido número de veces, siempre y cuando no se
supere la temperatura máxima que el material soporta.
Los polímeros termoestables, en cambio son
aquellos que se endurecen por calentamiento y no se
pueden volver a fundir y moldearse. Además de la
clasicación anterior, los plásticos transparentes se
fabrican en dos formas: monolítica (sólida) y laminada.
Los plásticos transparentes laminados están hechos de
láminas frontales de plástico transparente unidas por
un material de capa interna, generalmente polivinil
butirilo. Debido a sus cualidades de resistencia a la
rotura, el plástico laminado es superior a los plásticos
sólidos y se utiliza en muchos aviones presurizados.
La mayor parte de la lámina transparente utilizada
en la aviación se fabrica de acuerdo con varias
especicaciones militares. Un nuevo desarrollo en
plásticos transparentes es el acrílico estirado. El
acrílico estirado es un tipo de plástico que, antes
de ser moldeado, se tira en ambas direcciones para
reorganizar su estructura molecular. Los paneles
acrílicos estirados tienen una mayor resistencia al
impacto y están menos sujetos a rotura; su resistencia
química es mayor, los bordes son más simples y el
agrietamiento y los rasguños son menos perjudiciales.
Los plásticos termoestables suelen también
utilizarse en zonas de aislamiento eléctrico,
conducciones de aire caliente, poleas y pequeños
engranajes de transmisión.
El teón (politetrauoretileno o PTFE) es un
plástico que soporta altas temperaturas y vibraciones,
buenas propiedades eléctricas y es anticorrosivo.
Se utiliza para hacer tuberías exibles, rodillos,
mamparos, resbalones de cerradura. Así mismo
Buna N es un elastómero que se utiliza para fabricar
mangueras exibles que soportan altas presiones,
sellos y empaques.
Figura 11. Relación Resistencia vs Densidad plásticos utilizado en
aeronáutica
Materiales compuestos
Un material compuesto se podría denir como
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loa unión de dos o más materiales con la nalidad
de generar uno nuevo con mejores propiedades,
generalmente está compuesta por dos partes, el
refuerzo y la matriz.
En los años de 1970, la industria aeronáutica
comenzó a desarrollar bras sintéticas para mejorar
el diseño de las aeronaves. Desde entonces, los
materiales compuestos se han utilizado cada vez
más. Cuando se mencionan compuestos, la mayoría
de la gente piensa solo en bra de vidrio, bra de
carbono o kevlar. El uso de los compuestos comenzó
en la aviación, pero ahora están siendo aceptados por
muchas otras industrias, incluidas la automoción, los
artículos deportivos y la navegación, así como los
usos de la industria de la seguridad y defensa.
Estos materiales presentan muchas ventajas:
• Alta relación resistencia-peso
• Transferencia de tensión de bra a bra
permitida por la compatibilidad química con la
matríz.
• Módulo (relación de rigidez / densidad) de 3.5
a 5 veces mayor que la del acero o el aluminio.
• Vida más larga que los metales.
• Mayor resistencia a la corrosión
• Resistencia a la tracción 4 a 6 veces mayor que
la del acero o el aluminio.
• Mayor exibilidad de diseño.
• La construcción encolada elimina juntas y
sujetadores.
• Fácil de reparar.
Las desventajas de los materiales compuestos son:
• Métodos de inspección difíciles de realizar,
especialmente la detección de
• Falta de base de datos de diseño a largo plazo,
métodos de tecnología relativamente nuevos
• Elevado costo
• Equipo de procesamiento muy caro.
• Gran variedad de materiales, procesos y
técnicas.
• Falta general de conocimientos y experiencia
en reparaciones.
• Productos a menudo tóxicos y peligrosos.
• Falta de metodología estandarizada para la
construcción y reparación.
Existen otro tipo de conguraciones estructurales
de materiales compuestos, tales como tipo sándwich,
lattice o enrejados y segmentados, los mismos que en
aeronáutica son muy utilizados principalmente para
fuselaje, pisos de aviones, cubiertas de ventilados,
alas con misiles entre otras.
La estructura honeycomb o panal de abeja, tiene
una geometría que permite minimizar la cantidad
de material para alcanzar el peso y costo mínimo
del material. Esta estructura posee muy buenas
propiedades de compresión y cortante, buena
resistencia a la corrosión y humedad.
Figura 12. Estructura compuesta tipo sándwich (honeycomb)
Figura 13. Relación Resistencia vs Densidad materiales compuestos
utilizado en aeronáutica.
Cerámicos
Conocidos también como materiales UHTC (Ultra
High Temperature Ceramics), se caracterizan por
tener un alto punto de fusión, sirven como aislantes
térmicos y se los utiliza en zonas o lugares de las
plataformas aeronáuticas y aeroespaciales donde
se generan grandes cantidades de calor y altas
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temperaturas como revestimientos de barrera térmica
en álabes, combustores, turbinas y sistemas de escape.
Dentro de esta familia de materiales se encuentran
los boruros, carburos, nitruros, óxidos, etc.
Figura 14. Construcción del borde de ataque de un ala con materiales
UHTC.
Fuente: Promising Ultra_High_Temperature Ceramic Materials for
Aerospace Applications, Simonenko
Figura 15. Relación Temperatura máxima de servicio vs Densidad
materiales cerámicos utilizado en aeronáutica.
1.3. Materiales y procesos de manufactura
Procesos de Manufactura en Aeronáutica
Partiendo que un proceso de manufactura busca
dar forma a un material conservando las propiedades
del mismo, en la Industria aeronáutica, existe una
diversidad de procesos de manufactura que exigen
en la actualidad mayor precisión, optimización de
tiempos y recursos, pero sobretodo menores costos,
por lo que los fabricantes se encuentran en la
búsqueda de procesos de manufactura más ecientes.
(Ingeniería concurrente).
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Figura 16. Procesos de Manufactura para componentes aeronáuticos.
Las partes y componentes de las aeronaves en su
gran mayoría son mecanizados en máquinas CNC
de 4,5 y hasta 6 ejes de gran envergadura y última
tecnología, sin embargo existen más de 250 procesos
de manufactura para el conformado de las plataformas
aeronáuticas. Las piezas de titanio, bras de
carbono y cerámicos aunque son más livianas, son
muy difíciles de mecanizar, debido a su estructura,
propiedades y características de mecanizado, por lo
que los grandes fabricantes tienen nuevos retos para
la consolidación de procesos de manufactura más
ecientes y productivos.
Figura 17. Máquinas para mecanizar componentes aeronáuticos.
Dentro de los aspectos claves en análisis de la
Manufactura, se debe tener en cuenta la criticidad de la
parte o componente, ya que es un aspecto relacionado
con la buena selección y abilidad del proceso,
controles de calidad, integridad supercial (grietas,
tensiones residuales o alteraciones metalúrgicas).
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Figura 18. Fallos generados a partir del proceso de manufactura en
componentes aeronáuticos
Fuente: Módulo mecanizado de alta velocidad. N López de la Calle,
Lamikiz
Al analizar el incidente presentado en la gura
anterior, se determinó que el origen del accidente fue
por una grieta generada en un debilitamiento de un
tubo del sistema de lubricación de un rodamiento de
las turbinas de media presión, en razón de que en el
proceso de fabricación del elemento, existió un mal
alineamiento de dos taladrados. Al nal se tuvieron
que reemplazar 39 turbinas RR Rolls Royce Trent 900
que presentaban el tubo defectuoso.
2. Discusión
La vinculación del diseño, los materiales y las nuevas
tecnologías de fabricación mediante simulación y
modelado por computadora (CAD-CAM-CAE) son
ahora un requisito para los componentes y sistemas de
alto rendimiento y eciencia en el campo aeronáutico.
Las plataformas aeronáuticas dependen de materiales
cuyas propiedades y formas tengan anidad con la ruta
de fabricación del producto. Los modelos permiten la
predicción de propiedades mecánicas especícas, que
respalda el diseño para la fabricación y la optimización
de materiales y la producción en masa. El modelado
y la simulación también están siendo aplicados para
optimizar materiales y procesos establecidos a través
de base de datos y softwares.
Los materiales y tecnologías de proceso de
manufactura tienen ahora, el potencial de mejorar
signicativamente la eciencia y la capacidad
ecológica de los motores de turbina. Por denición,
comienzan con un bajo nivel de madurez y requieren
investigación, desarrollo, evaluación y validación
antes de ser aplicados a cualquier sistema futuro;
sin embargo, estas tecnologías de alto riesgo / alta
rentabilidad, si tienen éxito en lograr objetivos de
rendimiento agresivos, ya que pueden habilitar nuevos
componentes y diseños de sistemas que permitan
mejoras importantes en la capacidad y el rendimiento
en general.
Así mismo, el uso de nuevos materiales, podrían
cambiar los diseños actuales de las plataformas
aeronáuticas, provocando también un ajuste en el
desarrollo de tecnología para su conformación.
Por ejemplo:
• Los materiales compuestos de cerámica de alta
resistencia a la temperatura, serán utilizados
para las cámaras de combustión, las turbinas
y los sistemas de escape de nuevos motores
avanzados y más ecientes.
• Los materiales intermetálicos de menor
densidad también podrán ser aplicados en
componentes rotativos.
• Los materiales compuestos de bra de carbono
constituirán prácticamente el 90% del total
del peso de las aeronaves o plataformas
aeronáuticas.
El uso de material compuesto en aviones, en lugar
de acero, ha dado como resultado estructuras ligeras
de aviones y, en consecuencia, ha reducido el nivel
de consumo y costos de combustible, reduciendo así
las emisiones de CO2. Existen varias aplicaciones
de nanocompuestos en la industria aeroespacial.
(Ramdani, 2019)
Entre tales aplicaciones que son especícas en la
construcción de aviones, incluyen:
• Elementos de refuerzo para estructuras, tales
como: frames, largueros o como la capa exterior
para las estructuras tipo panal de abeja usadas
en el fuselaje y las alas,
• Matrices cerámicas combinadas con
nanoadiciones; estos nanocompuestos pueden
representar un elemento único solución para los
radomes de aviones hipersónicos y
• Nanocompuestos basados en zirconio para
protección térmica en turbo motores.
• Los nanocompuestos metálicos pueden contener
un metal como segundo componente y ambos
componentes, a menudo muy namente, están
dispersos entre sí. Dichos nanocompuestos de
estas combinaciones pueden tener propiedades
eléctricas, ópticas y magnéticas mejoradas, con
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buena resistencia a la corrosión.
El uso de nanocompuestos en la industria
aeronáutica representa una solución avanzada de
material. El material nanocompuesto ayuda en
la construcción de aeronaves como elemento de
refuerzo para estructuras de aeronaves tales como
largueros, marcos o como revestimiento para las
estructuras de tipo panal utilizadas en las alas y el
fuselaje. Como materiales de base para aplicaciones
de alta temperatura, los compuestos de nano carbono
se desarrollaron por primera vez para la tecnología
aeroespacial, para la construcción de componentes
y misiles, transbordadores espaciales, vehículos de
reingreso, forros de frenos y como material de disco
de freno para aeronaves civiles y militares.
Airbus y Boeing pronostican que hasta el
2035 el mercado aeronáutico mundial demandará
aproximadamente 22730 aviones comerciales y de
carga nuevos y para el 2035 la perspectiva será de
45240 aviones, es decir prácticamente se duplicará
la demanda a las existentes en la actualidad, lo que
generaría una gran oportunidad para las empresas
manufactureras de partes y componentes aeronáuticos.
Para poder llegar a estas metas ambiciosas,
las empresas manufactureras dentro del campo
aeronáutico deberán garantizar que las partes y
componentes puedan ser fabricadas de manera
continua, eciente y siguiendo las especicaciones
dentro de una losofía de seguridad operacional de
los sistemas y plataformas aeronáuticas desde los
procesos primarios hasta la nalización del producto
y de esta manera controlar su cadena de manufactura
de la manera más completa posible.
Figura 19. Proyección de ota aeronáutica 2015 – 2035
Fuente: www.boeing.com
3. Conclusiones
A continuación se describe las conclusiones
obtenidas en esta investigación:
• Los principales benecios en los materiales
utilizados en el campo aeronáutico son: buena
resistencia al rendimiento, resistencia a la
tracción, resistencia a la corrosión, resistencia
a altas temperaturas y baja densidad, pero sobre
todo, de peso ligero, que dan como resultado
materiales aeroespaciales fuertes pero más
livianos.
• La investigación, estudio y caracterización de
los materiales tradicionales en búsqueda de
nuevos materiales avanzados, compuestos o
nanomateriales, permitirán buscar las mejores
relaciones de peso, resistencia y costo dentro
del sector aeronáutico.
• En la fabricación de piezas aeronáuticas, más
que velocidad de producción, se debe priorizar
la conabilidad de la cadena de manufactura del
componente, llegando a un equilibrio óptimo
de maquinaria, herramientas, talento humano e
ingeniería de manufactura.
• La vinculación del diseño, los materiales y las
nuevas tecnologías de fabricación mediante
simulación y modelado por computadora
(CAD-CAM-CAE) son ahora un requisito para
los componentes y sistemas de alto rendimiento
y eciencia en el campo aeronáutico.
4. Referencias
[1] Cortéz, G. (2010). Nanotecnología en Aviación.
Bolivia. Revista de Información, Tecnología y
Sociedad.
[2] Ezugwu. E.O. (2004). High Speed Machining of
Aero-EngineAlloys. UK: J. of the Braz. Soc. of
Mech. Sci. & Eng.
[3] Federal Aviation Administration FAA. (2018).
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[4] Golfman Y. (2011). Hybrid Anisotropic Materials
for Structural Aviation parts. Estados Unidos.
CRC Press.
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[5] Green, K.A., Furrer D. (2009). Advanced
turbine engine materials. Advanced Materials &
Processes.
[6] Karpinos, B (2013). Thermal Cyclic Creep and
Long Term Strength of the Material of Aircraft
Gas Turbine Blades after Operation. Strength of
Materials.
[7] Lepeshkin A, Borja de. (2012). Investigations
of Thermal Barrier Coatings for Turbine Parts.
Ceramics Coatings Application in Engineering.
[8] López de la Calle. (2015). Mecanizado de
alta velocidad. Material disponible dentro del
Programa de Maestría en Manufactura y Diseño
asistidos por Computador. Ecuador: Universidad
de las Fuerzas Armadas - ESPE.
[9] Neely, J.E., Kibbe, RR., García Díaz, R. (1992).
Materiales y Procesos de Manufactura. México
D.F. Limusa.
[10] Ramdani, N. (2019). Polymer Nanocomposites
for Advanced Engineering and Military
Applications. USA. Advances in Chemical and
Materials Engineering (ACME) Book Series, IGI
Global
[11] Riba Romeva, C. (2008), Selección de
Materiales en el Diseño de Máquinas, España,
UPC.
[12] Simonenko, E.P. Sevastyanov D.V, Simonenko
N.P, Sevastyanov, V.G, Kuznetsov, N.T. (2013).
Promising Ultra-High-Temperature Ceramic
Materials for Aerospace Applications. Russian
Journal of Inorganic Chemistry.
[13] Sun, C.T. (2006). Mechanics of Aircraft
Structures, Second Edition, Estados Unidos, John
Wiley & Sons, Inc.
5. Biografía
1
José Guillermo Trujillo Jaramillo.
Nació en Quito provincia de
Pichincha, Ecuador. Magíster en
Manufactura y Diseño asistidos
por computador, Diploma
Superior de cuarto nivel en
Pedagogías Innovadoras,
Diplomado Internacional de
Gestión por competencias Ingeniero Mecánico,
Docente / Instructor Tiempo Completo de la Escuela
Técnica de la Fuerza Aérea - Carrera de Tecnología
Superior en Ciencias Militares Aeronáuticas de la
Universidad de las Fuerzas Armadas-ESPE.tario
Central Técnico.
2
Tcrn. Edison Ramiro Acurio
Armas, Lcdo. Administración
Aeronáutica, Ing. Electrónico en
Telecomunicaciones, Magister en
Educación / Jefe Dpto. Ingeniería
Centro de Investigación y
Desarrollo de la Fuerza Aérea,
Director de Carrera de la
Tecnología Superior en Ciencias
Militares Aeronáuticas de la Universidad de las
Fuerzas Armadas ESPE, Subdirector de la Escuela
Técnica de la Fuerza Aérea.
3
Rodrigo Cristóbal Zurita
Bautista. Nació en Salcedo
provincia de Cotopaxi, Ecuador.
Magíster en Sistemas de Control y
Automatización Industrial,
Ingeniero Industrial, Tecnólogo
en Mecánica Aeronáutica,
Docente Tiempo Completo de la
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Director
de la Carrera de Tecnología Superior en Mecánica
Aeronáutica.
REGISTRO DE LA PUBLICACIÓN
Fecha recepción 14 marzo 2021
Fecha aceptación 06 mayo 2021
TRUJILLO, ACURIO, BAUTISTA /
DESARROLLO DE LOS MATERIALES Y PROCESOS DE MANUFACTURA EN EL CAMPO AERONÁUTICO
Artículo Cientíco / Scientic Paper
Revista Energía Mecánica Innovación y Futuro, X Edición 2021, No. 3 (09)
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ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 10 Vol. 1 / 2021 (9) ISSN 1390 - 7395 (3/9)
Abstract
The main objective of the investigation is the
calibration of the Bosch CRDI injectors series 044
5110 310, starting with the mechanical performance
tests such as: operating pressure, noise, internal
dripping, external dripping and spraying, replacing
the elements in poor condition, performing the
injection tests at idle speed, pre-injection and full
load on the CRDI bench for pumps and injectors; At
the same time, the tools to execute the disassembly
process are described and each element is listed for
a better recognition, continuing with the ultrasound
cleaning and developing the assembly process step
by step. Using CRDI injector calibration manual, the
adjustment of the AH, DNH, DFK rings is carried
out by evaluating their heights and lengths of some
elements of the injector with the use of specic
formulas, obtaining the thicknesses required that x
the injection problems, checked again at the bench.
Keywords: Injectors, Calibration, Oscillograms,
Mechanical and electronic tests, CRDI injection
systems.
ANÁLISIS MECÁNICO EN EL PROCESO DE CALIBRACIÓN DEL INYECTOR DE
SISTEMAS CRDI BOSCH
MECHANICAL ANALYSIS IN THE CALIBRATION PROCESS OF BOSCH CRDI
SYSTEM INJECTORS
Carlos Andrés Almendáriz Maisincho
1
, José Lizandro Quiroz Erazo
2
, Luis Aníbal Naranjo Pullupaxi
3
1
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE
e – mail:
1
caalmendariz@espe.edu.ec,
2
jlquiroz@espe.edu.ec,
3
lanaranjo5@espe.edu.ec
ALMENDARIZ, QUIROZ, NARANJO /
ANÁLISIS MECÁNICO EN EL PROCESO DE CALIBRACIÓN DEL INYECTOR DE SISTEMAS CRDI
BOSCH
Resumen
La investigación tiene como objetivo principal
la calibración del inyector CRDI Bosch serie 044
5110 310, iniciando con las pruebas mecánicas de
funcionamiento como son: presión inicio de inyección,
ruido, goteo interno, goteo externo y pulverización,
reemplazando los elementos en mal estado, realizando
las pruebas de inyección en ralentí, preinyección y full
carga en el banco CRDI para bombas e inyectores; a
su vez se describe las herramientas para ejecutar el
proceso de desarmado y enlistando cada elemento
para un mejor reconocimiento, prosiguiendo con
la limpieza por ultrasonido y desarrollando paso a
paso el proceso de armado. Con el uso del manual de
calibración de inyectores CRDI se realiza el ajuste de
los anillos AH, DNH, DFK, mediante la evaluación
de sus alturas y longitudes de algunos elementos del
inyector con el uso de fórmulas especícas llegando
a obtener los espesores requeridos que solucionan los
problemas de inyección, comprobados nuevamente
en el banco.
Palabras Clave: Inyectores, Calibración,
Oscilogramas, Pruebas mecánicas y electrónicas,
sistemas de inyección CRDI.
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1. Introducción
Los sistemas de inyección CRDI son el conjunto
de sensores y actuadores que interacciona entre si son
monitoreados por el módulo de control electrónico
diésel, que consta de dos circuitos uno de baja 2-5[Bar]
y otro de alta presión 300-2500[Bar], siendo los
inyectores el objeto de estudio para la investigación.
Los inyectores cumplen un papel fundamental en
la inyección de combustible en los motores a diésel
ya que es el principal componente que ayuda al motor
para que tenga un buen funcionamiento, un buen
torque y sobre todo menor consumo de combustible
en el momento de la inyección [1].
Este dispositivo requiere de una mano de
obra especializada para realizar su respectivo
mantenimiento, tanto preventivo como correctivo, y
un correcto procedimiento en su análisis, montaje y
pruebas, rigiéndose en los parámetros recomendados
por el fabricante.
La generación de la presión en la inyección no tiene
relación de la cantidad de las RPM y del caudal de
inyección, esta es una de las cualidades del sistema.
Con la activación electrónica del inyector se inicia
la inyección y caudal de inyección. En ese instante es
monitoreado con el sistema ángulo tiempo del control
electrónico Diésel. Lo cual es necesario dos sensores
del número de revoluciones, tanto en el árbol de levas
como en el cigüeñal para reconocer los tiempos [2].
Es necesario una mezcla adecuada para reducir
las emisiones de los gases de escape y disminuir los
ruidos del motor, donde los inyectores deben dar
caudales pequeños en la preinyección e inyecciones
múltiples.
Principio de funcionamiento del inyector
La bomba de inyección manda combustible por el
riel común al inyector y va dirigido hacia el canal en la
tobera hasta llegar a la cámara pequeña yacente en la
base, que bloquea la aguja del inyector situado sobre
el asiento en forma de cono con la asistencia de un
resorte, lo cual este está ubicado en la parte superior
de la aguja que conserva el grupo cerrado [3].
Figura 1. Funcionamiento de sistemas common rail e inyectores CRDI
El combustible bajo la presión eleva la aguja e
inyecta en la cámara de combustión al momento que
la presión desciende, por el n de la inyección, el
resorte regresa a la posición original a la aguja encima
del asiento del inyector nalizando la inyección.
Figura 2. Funcionamiento de sistemas interno del inyector CRDI
Etapas de funcionamiento
Primera etapa de funcionamiento:
La resultante de las fuerzas ( ƩF=0 ) mantiene
la tobera siempre cerrada, el solenoide no genera
activación y no se produce la inyección [4].
Figura 3. Etapas de funcionamiento del inyector CRDI.
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Tabla1: Caracteristicas generales del inyector Bosch
Presión de apertura del inyector
En esta prueba se genera la primera instancia de
funcionamiento del inyector, la presión mínima
con la que este componente empieza a generar
la pulverización en la cámara de combustión, se
monta en el banco de pruebas para common rail se
da pulsaciones en la bobina produciendo una ligera
variación de presiones obteniendo el primer dato de
inyección[8].
Figura 5. Control de apertura de inyección del inyector CRDI Bosch
Resultado: el inyector Bosch 0 44 5110 310, inicia
su etapa de funcionamiento con una presión de 188
[Bar]
Fuga externa
Esta prueba consiste en determinar el sellado de los
elementos roscados externos del inyector como son la
bobina y tuerca de tobera para esto se coloca papales
absorbentes que no generen ningún tipo de suciedad o
pelusa, se coloca sobre el banco de pruebas se ejerce
una variación de presión, preferible con la presión
captada en la primera prueba de presión de apertura
del inyector [9].
Donde:
• A Presión de riel de válvula
• B Presión de riel de tobera
• F1 Fuerza electromagnética
• F2 Resorte de válvula
• F3 Resorte de tobera
Segunda etapa de activación:
En el inyector existen dos fuerzas de riel que
al accionarse forman dos cámaras A y B como se
muestra en la gura, el combustible ingresa tomando
dos caminos, uno hacia el riel de válvula formando
A y el otro hacia el riel de tobera que forma B, como
las presiones son iguales sobre la guía que tapa la
salida de combustible en la tobera existe la presión del
resorte F3, para que el inyector se abra debe liberarse
presiones en A. Esta caída de presión se logra con
el accionamiento de la bobina que genera una caída
de presión en F1 permite que la esfera de válvula
seda paso de combustible en A hacia el retorno, este
cuando se libera regresa hacia su depósito [5].
Con esto la presión más alta queda localizada
frente a la presión que ejerce F3 logrando vencer
y desplazando la tobera que permite pulverizar el
combustible
Tercera etapa de funcionamiento:
Se cierra la inyección F1 desactiva la resultante de
las fuerzas regresando a su estado inicial que provoca
el cierre de la tobera [6].
Pruebas mecánicas de los inyectores.
Las pruebas mecánicas consisten en determinar el
deterioro de los inyectores realizando una inspección
en cada una de sus pruebas como son: presión apertura
del inyector, fuga interna, fuga externa, pulverización
de combustible seguidamente de las pruebas de banco
[7].
2. Aplicación
Figura 4. Inyector CRDI Bosch 044 5110 310
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Figura 6. Comprobación de fuga externa del inyector Bosch 044 5110
310
Resultado: El inyector no presenta fugas externa
mantiene un sellado estable en la tuerca de bobina y
tobera no es necesario el reemplazo o ajuste.
Fuga interna
La prueba consiste en determinar la caída de presión
sostenida del combustible con un valor por debajo de
combustible resultado que no haya ningún goteo.
Figura 7. Prueba de fuga interna del inyector CRDI Bosch 044 5110
310
Resultado: El inyector presenta fuga interna por
lo que produce un goteo no mantiene una presión
sostenida de combustible es necesario el reemplazo
de tobera.
Pulverización
La prueba consiste en realizar un análisis visual
de la pulverización de combustible que tiene que ser
prolijo, en forma de cono y continuo.
Figura 8. Estado de pulverización del inyector CRDI Bosch 044 5110
310
Resultado: una vez reemplazada la tobera el estado
del chorro de la pulverización demuestra una forma
de cono y continúa.
Pruebas de funcionamiento
Se procede a instalar el inyector Bosch 044 5110
310 en el banco de pruebas para realizar tres etapas
de funcionamiento importantes para inyectores como
son:
• Ralentí
• Preinyección
• Plena carga
Siendo preinyección con su anillo AH el punto
de partida más importante para iniciar la calibración
del inyector, obteniendo un buen desempeño en los
demás anillos de calibración como son: DFK ralentí y
DNH plena carga.
Tabla 2. Para Parámetros requeridos para el inyector Bosch 044 5110
310 en las pruebas de banco
Prueba de banco
Tabla 3. Prueba en preinyección para inyector Bosch
Figura 9. Pruebas de funcionamiento en preinyección
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• 116 ml en inyección
• Full retorno
Vehículo con elevada temperatura y exceso de
humo, pérdida de potencia.
Se determina que al emitir un exceso de inyección y
retorno de combustibles en preinyección ralentí y full
carga este requiere de calibración (inyector Bosch)
como se determina a continuación:
Proceso de desarmado
En la siguiente tabla se enlista el proceso correcto
de desarmado del inyector Bosch utilizando las
herramientas especícas como se puede observar en
la siguiente tabla:
Tabla 4. Proceso de desarmado del inyector Bosch
Figura 10. Despiece de las partes internas del inyector Bosch
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Ajuste de combustible en emisión y pre-
inyección
Tabla 5. Ajuste de combustible y preinyección
Donde:
1. Bobina
2. Anillo VFK
3. Resorte de bobina
4. Seguro de inducido A
5. Seguro de inducido tipo luna
6. Inducido
7. Resorte de inducido
8. Tuerca de sujeción
9. Guía de inducido
10. Anillo AH
11. Esfera
12. Anillo DFK
13. Resorte de tobera
14. Guía de anillo DNH
15. Pines
16. Anillo DNH
17. Aguja de tobera
18. Tobera
19. Tuerca de sujeción de tobera
20. Válvula
21. Sello de válvula
22. Cuerpo del inyector
Figura 11. Limpieza del inyector Bosch
Para una buena calibración del inyector, es
importante mantener las piezas en excelentes
condiciones, una de ellas es la limpieza de estos
componentes internos como externos, impidiendo que
se mezclen con impurezas.
Calibración de inyector Bosch
Para la calibración del inyector Bosch se debe
observar que este no tenga ninguna especie de
rajaduras o alguna imperfección ya que estas podrían
causar una mala calibración o simplemente arrojar
datos erróneos dentro del banco de pruebas, también
tener a la disposición los instrumentos de medición y
en perfecto estado, ya que son de suma importancia
para realizar este proceso, como se describe a
continuación:
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Ajuste de combustible en full carga y ralentí
Tabla 6. Ajuste de combustible en full carga y ralentí
Grosor de anillos de calibración
Una vez determinado los espesores de cada anillo
de calibración se procede a desarrollar una tabla de
comparación del antes y después del ajuste respectivo.
Tabla 7. Análisis de resultados de anillos de calibración
Proceso de armado
Una vez realizada la limpieza del inyector y
calibrados los elementos pertinentes, se procede a
armar. El proceso se realiza de forma inversa, pero
teniendo en cuenta algunos detalles que son muy
importantes en el montaje como se puede ver a
continuación:
Tabla 8. Armado del inyector Bosch
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Resultados de calibración
Preinyección
La preinyección se considera la prueba que
parametriza al inyector, ya que es la distancia en la
que se levanta el inducido y deja uir el combustible,
por eso es de suma importancia.
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Tabla 9. Resultado de calibración en preinyección
Tabla 10. Resultado de calibración ralentí
Tabla 11. Resultado de calibración plena carga
3. Discusión
Los inyectores deben tener una respectiva
calibración para cada uno tiene su rango especico
y diferentes tipos de anillos como son los anillos de
calibración AH, DNH,DFK, que son los respectivos
para pre inyección ralentí y full carga que son un
punto departida para una buena calibración de estos
también tenemos anillos de retorno de combustible
como es RLS que es el encargado de la apertura de
la altura de la bobina y el anillo VFK que es el que
controla el retorno de combustible este deberá estar
dentro de los parámetros establecidos por el fabricante
cave recalcar que cada marca tienen diferentes
especicaciones de calibración para cada uno de los
controles de inyección a cada presión que Garner
Espinoza establece para las medidas de los anillos.
A estos se le realizara unas pruebas antes de montar
en el banco de pruebas como son pruebas de goteo,
inspección de pulverizado, fuga interne y externa
los que determinaran como se encuentra el estado de
funcionamiento y dando un punto de partida para los
cambios y ajuste que se deberán hacer en el proceso.
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4. Conclusiones
• Se desarrolló todos los procedimientos de
armado, desarmado y vericación de los
inyectores CRDI Bosch serie 044 5110 310
mediante tablas de secuencia y todo esto gracias
a investigar información exhaustiva y detalla,
además de la práctica constante para llegar a lo
planicado.
• Se desarrolló los procesos de calibrado del
inyector CRDI tomando medidas de los
elementos y pasando a los cálculos y obtener
a las dimensiones requeridas de los anillos de
calibración.
• Se investigó las fuentes bibliográcas a través
de libros, tesis, información de manuales y
revistas técnicas que sirvieron de ayuda con
los procesos y parámetros de calibración de los
inyectores CRDI Bosch.
• Se seleccionó minuciosamente el inyector
CRDI Bosch serie 044 5110 310 para seguir
con la investigación realizando los procesos
correspondientes.
5. Referencias
[1] Bosch. (2015). Instrucciones de reparación y
ensayo de inyectores Common Rail Bosch CRI/
CRIN. [En línea].
[2] Cadena, D. (2013). Diseño e implementación
de un banco de pruebas de inyectores de vehículos
a diesel crdi para la escuela de ingeniería
automotriz. [En línea].
[3] Coral, F. (2013). Diseño e implementación de
un banco de pruebas de inyectores de vehículos
a diesel crdi para la escuela de ingeniería
automotriz. [En línea].
[4] Castillejo, A. (2014). Sistemas de inyección
diésel electrónico, para servicio automotriz
pesado. [En línea].
[5] Raghani, R. (2017). Desarrollo de un manual
de procesos para la comprobación de inyectores
common rail del motor Hyundai J3 [En línea].
[6] Molina, J. (2019). Análisis de los parámetros
mecánicos y electrónicos de funcionamiento del
sistema de alta presión del conjunto CRDI del
motor diésel Kia 2.0l tipo D4EA. [En línea].
[7] Noboa, A. (2019). Investigación del
comportamiento mecánico y electrónico de los
inyectores Bosch “0445120289” y “0445110250”
del sistema Common Rail. [En línea].
[8] KIA MOTORS, C. (2016). COMMON RAIL
- Delphi Manual de Entrenamiento de Servicio.
Departamento de Asistencia Técnica de DIASA
Ltda., Chile. [En línea].
[9] Espinosa, G. (2016). Manual de calibración de
inyectores CRDI Denso, Bosch y Delphi.
6. Biografía
1
Carlos Andrés Almendáriz
Maisincho. – Ingeniero Automotriz,
Universidad de Fuerzas Armadas
ESPE. Asesoramiento en Mecánica
y Electrónica de vehículos.
2
José Lizandro Quiroz Erazo. – Ingeniero Automotriz
(Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE),
Msc. Gestión de Energías, Diplomado Superior en
Autotrónica (Universidad de las Fuerzas Armadas
ESPE), Docente tiempo completo (Universidad de las
Fuerzas Armadas ESPE).
3
Luis Aníbal Naranjo Pullupaxi. – Ingeniero
Automotriz, Universidad de Fuerzas Armadas
ESPE, Asesoramiento en Mecánica y electrónica de
vehículos.
REGISTRO DE LA PUBLICACIÓN
Fecha recepción 12 junio 2021
Fecha aceptación 07 agosto 2021
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Abstract
The development of this research work is motived by
the high applicability of the laminates of composite
materials for the manufacturing of dierent transport
means and the chemistry industry. Many structural
components of the aircrafts and cars are made with
laminates reinforcement with bres in polymer
matrix. With the goal, to evaluate the behaviour of
laminates reinforced glass or carbon bres, as well
the inuence of the geometric and density ratio,
between the laminate and projectile. In this work, it
was development and validated an analytical model.
The dierence for the ballistic limit and residual
velocity between the experimental and analytical
results are less to 10%. The ballistic limit increases
with the geometric and density ratios.
Keywords: Ballistic, FRP reinforcement, modelling,
thickness
ESTUDIO ANALÍTICO DEL FENÓMENO DE IMPACTO DE ALTA VELOCIDAD
SOBRE LAMINADOS DE TEJIDOS EMPLEADOS EN LA INDUSTRIA DE LA
AUTOMOCIÓN
ANALYTICAL STUDY OF THE IMPACT PHENOMENON OF HIGH-VELOCITY
ON WOVEN LAMINATES USED BY THE AUTOMOTIVE INDUSTRY
1
Shirley García Castillo,
2
Inés Iváñez,
3
Sonia Sánchez Sáez,
4
Enrique Barbero,
5
Carlos Navarro
1
Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras
Universidad Carlos III de Madrid. Av de la Universidad, Nº 30. 28911-Leganés-España
e – mail:
1
sgcastil@ing.uc3m.es
GARCÍA, IVÁÑEZ, SÁNCHEZ, BARBERO, NAVARRO /
ESTUDIO ANALÍTICO DEL FENÓMENO DE IMPACTO DE ALTA VELOCIDAD
SOBRE LAMINADOS DE TEJIDOS EMPLEADOS EN LA INDUSTRIA DE LA AUTOMOCIÓN
Resumen
El desarrollo de este trabajo de investigación está
motivado por la alta aplicabilidad de los laminados de
material compuesto en estructuras de diversos medios
de transporte y la industria química, ya que poseen
una alta resistencia y rigidez especíca. Muchos
componentes estructurales de las aeronaves, así como
de los vehículos de automoción están fabricados con
laminados reforzados con bras en matriz polimérica.
Con el objetivo de evaluar el comportamiento frente
a impacto de diferentes laminados con refuerzos de
bra de vidrio o carbono, así como la inuencia de
las relaciones entre el laminado y el proyectil, en
este trabajo se ha desarrollado y validado un modelo
analítico. Las diferencias para el límite balístico y la
velocidad residual entre los valores determinados a
partir de los ensayos experimentales y los estimados
con el modelo analítico son inferiores al 10% y
el límite balístico se incrementa con la relación
geométrica y con la relación de densidades.
Palabras Clave: Balístico, espesor, FRP refuerzo,
modelización.
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1. Introducción
El fenómeno impacto de alta de velocidad sobre
estructuras fabricadas en laminados de material
compuesto está controlado por las propiedades
mecánicas del laminado y el proyectil, así como las
condiciones de impacto, como son: la geometría del
proyectil, espesor de la placa, ángulo de impacto,
conguración del laminado [1].
El daño producido en un laminado de material
compuesto sometido a un impacto del alta velocidad
es un fenómeno complejo, debido a los diversos
parámetros que actúan [2].
Los mecanismos de fallo que contribuyen a
la absorción de la energía cinética del proyectil
mecanismos son: el fallo de bras, la deslaminación,
la rotura de matriz y el fallo por cortadura.
Adicionalmente, la deformación elástica de laminado,
así como el movimiento del laminado, contribuyen
a la absorción de la energía cinética del proyectil,
aunque no contribuyan al fallo del laminado [1].
El límite balístico es la velocidad por debajo de la
cual un proyectil especíco no perfora la estructura
que es impactada. Comúnmente, el límite balístico
[3] es expresado en término de probabilidad como
V50, lo que indica que existe un 50% de probabilidad
de perforación y para su determinación se recurre a
técnicas estadísticas.
La velocidad residual es la velocidad con la cual
el proyectil atraviesa la probeta y sale de ésta. Desde
el punto de vista experimental se ha demostrado
que la velocidad residual se incrementa a medida
que se aumenta la de impacto. Además, a partir de
la velocidad residual se puede determinar la energía
absorbida.
La energía de perforación es la energía mínima
necesaria para perforar una estructura cuando los
impactos se realizan a altas velocidades de impacto.
Experimentalmente, se puede calcular a partir de
la velocidad de impacto más baja con la cual se
consigue atravesar las placas de material compuesto.
Esta velocidad depende ligeramente de la forma
del proyectil, y en mayor medida, del espesor del
laminado en estudio [4].
De forma general, el estudio del fenómeno
de impacto de alta velocidad mediante técnicas
experimentales requiere un gran consumo de tiempo
y recursos materiales, lo que se traduce en un elevado
coste, porque se deben considerar numerosas variables
como pueden ser, los materiales que constituyen
el laminado, las condiciones de ensayo (aspectos
medioambientales, condiciones de operación, etc) y
[5] de la geometría y densidad del impactador, entre
otras.
La metodología experimental es compleja y ecaz
ya que reproduce el evento en condiciones similares a
las que hay en la realidad. Existe numerosa bibliografía
que usan ensayos experimentales para predecir el
límite balístico de laminados de material compuesto
[6-8]. El problema que surge con este tipo de métodos
es la dicultad de reproducir las condiciones necesarias
y sobre todo el coste económico que conlleva realizar
este tipo de experimentos, haciendo necesario otras
alternativas de estudio.
Los métodos numéricos están basados en la
resolución de problemas mediante herramientas
informáticas que tienen una potente matemática
detrás. Dichos métodos permiten simular procesos
a través de algoritmos matemáticos con el objetivo
de proporcionar una respuesta que se ajuste
bastante a la realidad. La principal ventaja de estos
métodos es que son capaces de proporcionar una
buena aproximación del comportamiento real sin
demasiado coste económico aunque si es cierto que
la inversión inicial puede ser elevada. Dependiendo
del tipo y de la complejidad de la simulación el coste
computacional varía, el tiempo de resolución puede
ser corto pero también existen problemas que tardar
semanas en nalizar. Otra de sus ventajas es que
pueden resolver procesos matemáticos que no tienen
solución analítica. Actualmente existe un desarrollo
creciente de modelos numéricos para el análisis de
los problemas de impacto de alta velocidad sobre
laminados de material compuesto. Existen numerosos
programas basados en métodos numéricos como
Abaqus o Ansys que están basados en el Método
de los Elementos Finitos (MEF o FEM, en inglés).
Dichos programas permiten realizar simulaciones
mediante modelos en los que son necesarios introducir
parámetros y propiedades (geometría, propiedades
del material, propiedades de contacto, etc), en muchos
casos de difícil determinación. Los estudios que se
han realizado utilizando este tipo de métodos son muy
numerosos como los de López-Puente et. al. [6] para
impactos de alta velocidad en bra de carbono y los de
Iváñez et. al. [9] para estructuras sándwich con pieles
de bra de vidrio y núcleo de espuma. Actualmente
existe un desarrollo creciente de modelos numéricos
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laminado, tamaño del proyectil y no han evaluado la
inuencia de variables geométricas, de resistencia y
densidades entre el laminado y el proyectil. Por ello,
en este trabajo de investigación se ha desarrollado
un modelo analítico general, que permitirá evaluar
el comportamiento frente a impacto de diferentes
laminados, así como la inuencia de las relaciones
entre el laminado y el proyectil.
2. Descripción del modelo analítico
El modelo desarrollado en este trabajo de
investigación ha sido desarrollado para cualquier
laminado de tejido en resina polimérica, de espesor
delgado.
Está basado en las leyes de conservación de energía
y considera tres mecanismos de absorción de energía:
la deformación elástica de bras, la aceleración
del laminado y el daño producido en el laminado.
Este último mecanismo incluye el fallo de bras, la
formación del tapón de cortadura (laminado de bra
de carbono), así como el daño por deslaminación
y rotura de matriz. Ha sido planteado en una
formulación diferencial, cuya variable de integración
es la velocidad en cada instante de tiempo y que puede
ser resuelto mediante cualquier método numérico.
Para el planteamiento de la formulación del modelo
analítico se han considerado las siguientes hipótesis:
- El proyectil es perfectamente rígido y se
mantiene indeformable durante el fenómeno de
impacto.
- El laminado de tejido se considera homogéneo
y cuasi-isótropo en el plano.
- El ancho de la mecha del laminado es menor o
igual al diámetro del proyectil.
- Las velocidad de propagación de las ondas
longitudinales y transversales son constante a
los largo del espesor del laminado.
- La energía absorbida por fallo en tensión de las
bras y la deformación elástica de las bras son
tratadas de forma independiente.
- La energía absorbida por fricción entre el
laminado y el proyectil, así como la absorbida
por calentamiento del laminado se consideran
despreciables, porque el lamiando es delgado.
El modelo requiere del conocimiento de la ecuación
constitutiva, la tenacidad de fractura en modo II, la
densidad y el espesor del laminado, así como los
parámetros del proyectil como la masa y el diámetro.
para el análisis de los problemas de impacto de alta
velocidad sobre laminados de material compuesto,
debido a que estos proporcionan resultados muy
detallados del fenómeno.
Otra alternativa de estudio son los métodos
analíticos que se basan en la formulación matemática
del problema a través de su descomposición en partes
diferenciadas con el n de entender el proceso y
plantear la solución analítica de este.
La principal ventaja de la utilización de este método
es el ahorro de tiempo y de dinero en comparación con
los métodos experimentales y resultan muy útiles como
una primera aproximación al diseño de componentes
estructurales, porque permiten disminuir el número
de ensayos experimentales a realizar y facilitar el
desarrollo posterior de modelos numéricos.
En cuanto al fenómeno de impacto sobre materiales
compuestos, existen principalmente dos maneras de
abordar el problema analíticamente: por conservación
de momento o por métodos energéticos.
Cuando se produce el impacto de un proyectil
en un laminado de material compuesto la energía
cinética de dicho proyectil es absorbida por diferentes
mecanismos de absorción de energía. La losofía
de estos métodos consiste en denir todos los
mecanismos de energía que actúan durante el evento
y aplicar un balance energético entre el instante inicial
y un instante genérico. Una vez realizado este paso,
el problema puede resolverse de forma discreta,
utilizando métodos explícitos o de forma continua,
considerando todos los procesos y resolviendo la
ecuación diferencial resultante. Dentro de estos últimos
lo más habitual es que la variable de integración sea
el tiempo, no obstante, algunos autores como [8] han
preferido utilizar una variable de integración espacial.
Los modelos analíticos basados en la conservación
de la energía, que consideran que la energía cinética
o parte de ella es absorbida por el laminado durante
el fenómeno de impacto, debido a: la deformación
elástica de la placa de laminado material compuesto, el
fallo del laminado, que incluye diversos mecanismos,
la fricción y el calentamiento del laminado, así como
la aceleración del mismo. Entre estos modelos se
pueden nombra los desarrollados por [2, 6, 8].
De forma general, todos los modelos indicados
previamente son modelos especícos que son válidos
para determinados constituyentes, espesores de
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El modelo establece la conservación de la energía
entre el instante inicial en el que toda la energía está
asociada a la energía cinética del proyectil y un instante
genérico en el que parte de la energía del proyectil
ha sido absorbida por el laminado. Una explicación
detallada de los mecanismos de absorción de energía y
del modelo analítico se puede encontrar en el capítulo
de libro desarrollado por García-Castillo et. al. [2].
La formulación del modelo se ha llevado a cabo
mediante métodos energéticos, haciendo uso de los
mecanismos de absorción de energía denidos por
García-Castillo et. al. [1].
Entre el instante inicial
y uno genérico t se
cumple el siguiente balance energético.
(1)
Donde: es la energía de impacto, es la
masa del proyectil y es energía absorbida por los
diferentes mecanismos de absorción de energía desde
hasta t.
(2)
Donde: EKC es la energía absorbida por aceleración
del laminado, ETF es la energía absorbida por falo de
bras, EED es la energía absorbida por deformación
elástica del laminado, EDL es la energía absorbida por
deslaminación, EMC es la energía absorbida por rotura
de la matriz, ESP es la energía absorbida debida a la
formación del tapón de cortadura, en el caso de los
laminados de bra de carbono.
3. Validación del modelo analítico
Para la validación del modelo analítico se
emplearon dos laminados de tejido equilibrado, uno
de bra de vidrio E en resina poliéster de 3 y 6 mm
de espesor y otro de bra de carbono AS4 en resina
epoxi 8552 de 2 mm de espesor. Las propiedades y
variables necesarias para la aplicación del modelo
analítico desarrollado en este trabajo se encuentran
recogidas en [1, 8, 10].
La validación del modelo analítico se ha realizado
con respecto a la velocidad residual y el límite
balístico, tal como se observa en las Figuras 1, 2 y
3 en la cuales se muestra la velocidad residual del
proyectil en función de su velocidad de impacto para
los ensayos experimentales y el modelo analítico.
Figura 1. Velocidad residual frente a la velocidad de impacto para un
tejido de bra de vidrio/poliéster de 3 mm de espesor.
En todos los laminados estudiados la máxima
diferencia entre los resultados del modelo analítico
y los experimentales, para una misma velocidad
de impacto, no supera el 10%, lo que indica que el
modelo velocidad residual del proyectil al atravesar
la placa de material compuesto. Se puede armar que,
para estudiar el fenómeno de impacto transversal a alta
velocidad sobre laminados de tejido, los mecanismos
de daño seleccionados para el desarrollo del modelo
son los más relevantes y que las hipótesis realizadas
son apropiadas.
Figura 2. Velocidad residual frente a la velocidad de impacto para un
tejido de bra de vidrio/poliéster de 6 mm de espesor.
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Figura 3. Velocidad residual frente a la velocidad de impacto para un
tejido de bra de carbono/epoxi de 2 mm de espesor
Los errores en la estimación de la velocidad
residual que proporciona el modelo, en relación a
los resultados experimentales disminuyen, en las
inmediaciones del límite balístico, lo que es muy
importante desde el punto de vista del ingeniero de
diseño, pues le permite predecir la energía crítica que
produce la perforación del laminado.
Los resultados de límite balístico obtenidos a
partir del modelo analítico, que se corresponde a
la velocidad de impacto a la cual la velocidad del
proyectil en un instante de tiempo es igual a cero y su
desplazamiento es igual al espesor del laminado. De la
Tabla 2 se deduce que el error existente entre el límite
balístico experimental y el que proporciona modelo
analítico para cada uno de los laminados estudiados
no alcanza un 9 %, lo que conrma la abilidad del
modelo analítico propuesto.
Tabla 1. Límite balístico obtenido a partir del ajuste de los datos
experimentales y del modelo analítico.
4. Estimación del límite balístico
La variación del límite balístico con respecto a la
relación geométrica (cociente del espesor laminado
entre el radio del proyectil) para un laminado de
tejido de bra de vidrio se observa en la Figura 4,
donde se muestra que un aumento del límite balístico
con el incremento de esta relación, ajustándose la
relación entre ambas variable a una línea recta. Por
lo tanto, un incremento en la relación geométrica
y por consiguiente en el espesor del laminado o
la disminución del radio del proyectil da lugar al
incremento del límite balístico.
La inuencia de la relación de densidades (cociente
de la densidad del laminado entre la del proyectil)
para un laminado de tejido de bra de vidrio sobre el
límite balístico se observa que este se incrementa con
una ley potencial cuando se aumenta la relación de
densidades, es decir cuando se incrementa la densidad
del laminado o disminuye la del proyectil, tal como se
observa la en la Figura.5.
Figura 4. Relación del límite balístico con respecto a la relación
geométrica para un laminado de tejido de bra de vidrio E/poliéster.
Figura 5. Relación del límite balístico con respecto a la relación
geométrica para un laminado de tejido de bra de vidrio E/poliéster
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cored sandwich plates under high-velocity
impact. Composite structures, 93(9), 2392-2399.
[10] Buitrago, B. L., García-Castillo, S. K., &
Barbero, E. (2013). Inuence of shear plugging
in the energy absorbed by thin carbon-bre
laminates subjected to high-velocity impacts.
Composites Part B: Engineering, 49, 86-92.
7. Biografía
1
Dra. Shirley K. García-Castillo,
Profesora Titular de Universidad
Carlos III de Madrid.
2
Dra. Inés Iváñez, Profesora Titular
de Universidad Carlos III de Madrid
5. Conclusiones
En este trabajo de investigación se ha presentado
un modelo analítico que permite evaluar el
comportamiento frente a impacto transversal de dos
espesores y un laminado de bra de carbono. A partir
de este modelo se ha realizado un estudio de las
principales relaciones adimensionales que inuyen en
el límite balístico frente a impacto de laminados de
tejido de bra de vidrio, obteniéndose las conclusiones
que se detallan a continuación:
- El modelo analítico propuesto permite predecir
con suciente precisión el comportamiento
frente a impacto transversal de laminados
de tejido equilibrado en matriz polimérica,
independientemente del material de refuerzo.
- La validación del modelo analítico propuesto
se ha realizado con respecto al límite balístico
y la velocidad residual, observándose mínimas
diferencias entre los valores experimentales y
los estimados a partir del modelo.
- Las diferencias para el límite balístico entre los
valores determinados a partir de los ensayos
experimentales y los estimados con el modelo
analítico son inferiores al 10%.
- El límite balístico se incrementa linealmente
con la relación geométrica, mientras que con
la relación de densidades lo hace con una ley
potencial, para laminados delgados de bra de
vidrio.
6. Referencias
[1] García-Castillo, S. K., Sánchez-Sáez, S.,
Santiuste, C., Navarro, C., & Barbero, E. (2013).
Perforation of composite laminate subjected to
dynamic loads. In Dynamic Failure of Composite
and Sandwich Structures (pp. 291-337). Springer,
Dordrecht.
[2] Naik, N. K., & Shrirao, P. (2004). Composite
structures under ballistic impact. Composite
structures, 66(1-4), 579-590.
[3] Zukas, J. A., & Scheer, D. R. (2001). Impact
eects in multilayered plates. International
Journal of Solids and Structures, 38(19), 3321-
3328.
[4] Ulven, C., Vaidya, U. K., & Hosur, M. V.
(2003). Eect of projectile shape during ballistic
perforation of VARTM carbon/epoxy composite
GARCÍA, IVÁÑEZ, SÁNCHEZ, BARBERO, NAVARRO /
ESTUDIO ANALÍTICO DEL FENÓMENO DE IMPACTO DE ALTA VELOCIDAD
SOBRE LAMINADOS DE TEJIDOS EMPLEADOS EN LA INDUSTRIA DE LA AUTOMOCIÓN
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Artículo Cientíco / Scientic Paper
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 10 Vol. 1 / 2021 (9) ISSN 1390 - 7395 (4/9)
3
Dra. Sonia Sánchez-Sáez,
Catedrática de Universidad Carlos III
de Madrid.
4
Dr. Enrique Barbero, Catedrático de
Universidad Carlos III de Madrid.
5
Dr. Carlos Navarro, Catedrático de
Universidad Carlos III de Madrid.
REGISTRO DE LA PUBLICACIÓN
Fecha recepción 07 septiembre 2021
Fecha aceptación 26 octubre 2021
GARCÍA, IVÁÑEZ, SÁNCHEZ, BARBERO, NAVARRO /
ESTUDIO ANALÍTICO DEL FENÓMENO DE IMPACTO DE ALTA VELOCIDAD
SOBRE LAMINADOS DE TEJIDOS EMPLEADOS EN LA INDUSTRIA DE LA AUTOMOCIÓN
Artículo Cientíco / Scientic Paper
- 48 -
ESPE
Revista Energía Mecánica Innovación y Futuro, X Edición 2021, No. 5 (09)
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 10 Vol. 1 / 2021 (9) ISSN 1390 - 7395 (5/9)
Abstract
The use of laminate composite materials in
structural applications continue growing due to their
excellent specic mechanical properties. Laminates
of carbon bre are widely used in the manufacture of
primary structural, such as side-door impact beams
and bumpers for passenger cars, these structures
work as passive safety elements and during its service
life are exposed to dynamic loads. In this work, it
studies the capacity of energy-absorption of tubular
elements were manufactured by woven carbon bre/
epoxy (AS4/8552), which were impacted in the tower
drop at several impact energies. It were evaluating
the applied load, the absorbed energy, the maximum
displacement, the instant impact indentation and the
contact time. It was observed a linear relationship
between the absorbed energy/mass ratio, the maximum
vertical displacement/mass ratio and, instant impact
indentation/mass ratio regarding to the impact
energy. It was identied the loads corresponding to:
the matrix cracking and delamination threshold of
tubular elements subjected to low-velocity impact.
Keywords: Laminate, carbon, energy, impact, velocity
ANÁLISIS EXPERIMENTAL DE LA ABSORCIÓN DE ENERGÍA DE ELEMENTOS
TUBULARES DE FIBRA DE CARBONO DE SECCIÓN CUADRADA SOMETIDOS A
IMPACTOS TRANSVERSALES
EXPERIMENTAL ANALYSIS OF THE ENERGY ABSORPTION OF SQUARE
CARBON FIBER TUBULAR ELEMENTS SUBJECTED TO TRANSVERSE
IMPACTS
Henry Iza Tobar
1
, Shirley K. García Castillo
2
, Inés Ivañez
3
,
1
Doctorando de Ingeniería Mecánica y Organización Industrial
1
Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras, Universidad Carlos III de Madrid
Av de la Universidad, Nº 30. 28911-Leganés-España
e – mail:
1
100414084@alumnos.uc3m.es,
2
sgcastil@ing.uc3m.es
3
idel@ing.uc3m.es
IZA, GARCÍA, IVÁÑEZ /
ANÁLISIS EXPERIMENTAL DE LA ABSORCIÓN DE ENERGÍA DE ELEMENTOS TUBULARES DE FIBRA DE CARBONO
DE SECCIÓN CUADRADA SOMETIDOS A IMPACTOS TRANSVERSALES
Resumen
El uso de materiales compuestos laminados en
aplicaciones estructurales sigue creciendo debido a
sus excelentes propiedades mecánicas especícas.
Los laminados de bra de carbono son ampliamente
utilizados en la fabricación de estructuras primarias,
como las vigas de impacto de las puertas laterales
y los parachoques de los turismos, estas estructuras
funcionan como elementos de seguridad pasiva y
durante su vida útil están expuestas a cargas dinámicas.
En este trabajo se estudia la capacidad de absorción
de energía de elementos tubulares fabricados con bra
de carbono/epoxi (AS4/8552), que fueron impactados
en una torre de caída a varias energías de impacto.
Se evaluó la carga aplicada, la energía absorbida, el
desplazamiento máximo, la indentación instantánea
del impacto y el tiempo de contacto. Se observó una
relación lineal entre la energía absorbida/masa, la
relación desplazamiento vertical máximo/masa y la
relación indentación instantánea/masa con respecto
a la energía de impacto. Se identicaron las cargas
correspondientes a: el umbral de agrietamiento de la
matriz y de delaminación de los elementos tubulares
sometidos a impacto de baja velocidad.
Palabras Clave: Laminados, carbono, energía,
impacto, velocidad.
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ESPE
Artículo Cientíco / Scientic Paper
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 10 Vol. 1 / 2021 (9) ISSN 1390 - 7395 (5/9)
1. Introducción
Las normativas sobre eciencia de combustible y
emisiones de gases de los vehículos son dos aspectos
importantes en el mundo actual. Una forma de aumentar
la eciencia del combustible evitando disminuir
la seguridad es utilizar materiales compuestos
reforzados con bra en especial con el uso del carbono
en las aplicaciones estructurales de la industria
del transporte, ya que los materiales compuestos
reforzados con bra tienen mayores resistencias
especícas que el acero o el aluminio convencionales
[11]. El uso de materiales compuestos laminados en
aplicaciones estructurales está creciendo debido a sus
excelentes propiedades mecánicas especícas. Para
diseñar estructuras con estos materiales, es necesario
conocer el comportamiento de las estructuras de
materiales compuestos laminados [1-2].
El elemento tubular estructural de pared delgada
es de gran interés tanto en la industria del transporte
terrestre como aéreo. Este tipo de elementos se
utilizan en estructuras primarias, como las palas de
los rotores y los largueros de las alas de las aeronaves,
donde están sometidas principalmente a exión. Por
otro lado, estos elementos se utilizan para absorber
energía en las estructuras de seguridad pasiva de los
vehículos, que suelen estar sometidas a compresión.
Además, estas estructuras pueden estar sometidas a
impactos de baja velocidad durante su vida en servicio
o durante las operaciones de montaje y mantenimiento
[3-4]. Estas cargas son especialmente críticas para los
materiales compuestos laminados debido a que estos
daños no suelen ser visibles a simple vista y podrían
modicar en gran medida el comportamiento de la
estructura [5-6]. Los laminados de bra de carbono
son ampliamente utilizados en la fabricación de
elementos estructurales primarios especialmente
críticas para los materiales compuestos laminados
debido a que estos daños no suelen ser visibles a
simple vista y podrían modicar en gran medida el
comportamiento de la estructura [5-6]. Los laminados
de bra de carbono son ampliamente utilizados en la
fabricación de elementos estructurales primarios en
vehículos de competición, y desde hace unos años se
está evaluando su uso en la fabricación de vehículos
comerciales [7], obteniéndose reducciones de peso de
los vehículos [8-9].
Sin embargo, el uso de estos laminados presenta
algunos problemas debido a su fractura frágil, siendo
este aspecto especialmente crítico en el diseño de
elementos de absorción de energía [10]. Debido a
la reducción del coste de los materiales de carbono/
epoxi y a la aparición de nuevos procedimientos de
fabricación adaptados a la producción en serie, el
análisis del comportamiento ante el impacto de los
tubos fabricados con estos materiales es actualmente
de gran interés.
El ensayo más adecuado para estudiar la respuesta
de estos elementos es el de exión en tres o cuatro
puntos, ya que es representativo de su estado de carga.
Durante una colisión, la estructura está sometida a
cargas dinámicas, por lo que un correcto estudio de
este fenómeno requiere de ensayos de impacto. El
fenómeno del impacto es complejo y necesita de
dispositivos experimentales especícos (pistola de
gas, torre de caída, etc.) y de sosticados dispositivos
de medición, como cámaras de alta velocidad, etc.
Algunos autores han estudiado la capacidad de
absorción-energía de elementos tubulares sometidos
a cargas de exión, pero sólo consideran las cargas
estáticas. Palmer et al. [12] estudiaron el fallo
progresivo de vigas de poco espesor fabricadas con
materiales compuestos pultruidos. Lim y Lee, [13]
analizaron mediante ensayos estáticos y simulaciones
numéricas los elementos tubulares de sección
cuadrada situados en la puerta de un vehículo,
fabricados con diferentes laminados de vidrio/epoxi.
Por su parte, Charoenphan et al. [14] estudiaron el
fallo progresivo que se produce en un tubo de sección
cuadrada cuando es sometido a cargas estáticas en un
ensayo de exión en tres puntos, observando que el
fallo comienza en las esquinas de la sección. En este
trabajo se evalúa la capacidad de absorción de energía
de elementos tubulares de sección cuadrada los que se
someten a bajo impacto.
2. Procedimiento Experimental
En la presente investigación se analizó el
comportamiento de los elementos tubulares de
sección cuadrada de pared delgada a probetas de bra
de carbono mediante preimpregnados de bra de
carbono/epoxi AS4/8552 de Hexcel Composites del
Instituto Nacional Aeroespacial. La longitud de los
tubos de sección cuadrada es de 480 mm de 35 mm
por lado y un espesor de 2.5 mm como se muestra en
la gura 1.
IZA, GARCÍA, IVÁÑEZ /
ANÁLISIS EXPERIMENTAL DE LA ABSORCIÓN DE ENERGÍA DE ELEMENTOS TUBULARES DE FIBRA DE CARBONO
DE SECCIÓN CUADRADA SOMETIDOS A IMPACTOS TRANSVERSALES
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Artículo Cientíco / Scientic Paper
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de impacto y de absorción. Para el ensayo de impacto
se tomaron como referencia cuatro energías con
valores teóricos de 15J, 20J, 25J y 30J energías que no
producen falla o rotura total de las probetas. De cada
ensayo de impacto se obtuvo un registro de carga vs.
tiempo (Fig. 2), ya que la punta del impactador estaba
instrumentada con una célula de carga. Asumiendo
la hipótesis [28] de un contacto permanente entre
los elementos tubulares y el impactador, se pudo
determinar el desplazamiento del punto de contacto
mediante integraciones sucesivas de la curva carga vs.
Tiempo. A partir de la curva fuerza desplazamiento,
se obtuvo la energía absorbida hasta el fallo.
3. Resultados
La gura. 4 muestra las curvas fuerza-tiempo a
diferentes energías de impacto. Las curvas presentan
un comportamiento similar durante el tiempo
transcurrido cuando se aplican energías de 14,27 J a
29,43J
Figura 4. Representación de las curvas de la fuerza/masa vs. energía de
impacto para la estructura tubular.
Los picos de carga máxima están en función de la
energía aplicada y del tiempo transcurrido. Cuanto
menor sea la energía aplicada durante el ensayo,
mayor será el tiempo transcurrido para alcanzar un
pico de carga máximo. Para la energía de impacto de
14,27 J el tiempo transcurrido en el que se obtiene la
carga máxima de pico es de 3,272x10-3 s, para 19,18
J el tiempo en el que se obtiene la carga máxima es de
2,036x10-3 s, para 24,25 J el tiempo es de 1,996x10-3
s y para 29,43 J el tiempo es de 2,385x10-3 s.
A medida que la energía de impacto aumenta existe
un aumento de la carga en función de la masa. Cuando
se alcanza la energía máxima existe una variación del
tiempo en especial para las energías desde 19.18 J
hasta 29.43 J, este intervalo es de 3.89x10-4 s. Para
el ensayo a una energía de 14.27 J el tiempo en el que
se alcanza el pico máximo de carga es mayor debido
a que a mayor energía de impacto el tiempo debe ser
menor.
Figura 1. Probeta de bra de carbono/epoxi AS4/8552.
Se realizaron varios ensayos a las probetas de
sección cuadrada haciendo uso de una torre de caída
CEAST Fractovis en función de la masa mostrado en
la Figura 2.
Figura 2. Torre de caída CEAST Fractrovis
Fue diseñado y fabricado un soporte para la probeta
para el apoyo en tres puntos. Tanto la base del como
los soportes son lo sucientemente rígidos para
soportar el impacto como se observa en la Figura 2.
Figura 3. Esquema que de la probeta a ensayar con impactador y
soporte.
El impactador tiene una forma semi esférica de
30.22 mm de radio con una masa de 6.128 kg. La
forma semiesférica del impactador no permite la
perforación instantánea de las probetas. Cada ensayo
fue evidenciado con una cámara de alta velocidad
PHOTROM ULTIMA teniéndose grabaciones que
permitieron estimar las velocidades de impacto y
la reacción de impactador evaluado la distancia
recorrida en varios fotogramas consecutivos. Con el
número de fotogramas (27) se calcularon las energías
IZA, GARCÍA, IVÁÑEZ /
ANÁLISIS EXPERIMENTAL DE LA ABSORCIÓN DE ENERGÍA DE ELEMENTOS TUBULARES DE FIBRA DE CARBONO
DE SECCIÓN CUADRADA SOMETIDOS A IMPACTOS TRANSVERSALES
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ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 10 Vol. 1 / 2021 (9) ISSN 1390 - 7395 (5/9)
Para cualquiera de los picos, la carga en función de
la masa aumenta con la energía de impacto, como se
observa en la gura. 5, esto ocurre en los tres picos, lo
que indica un comportamiento similar.
Al realizar la aproximación lineal para cada uno
de los picos, la pendiente del primer pico es menor
que la del segundo y del pico máximo. El primer pico
es muy constante, es decir, para cualquier energía
de impacto este pico se produce con una relación
carga/masa similar, lo mismo puede denirse para el
segundo pico.
Figura 5. Picos de fuerza/masa vs. energía de impacto para la
estructura tubular
La gura 6 muestra la energía absorbida en función
de la energía de impacto. La energía absorbida
para las estructuras tubulares ensayadas resultó en
una absorción superior al 50%, a una energía de
impacto de 14,27 J un porcentaje del 59,22% y para
una energía de 29,30 un porcentaje del 61,73%. La
aproximación lineal dio como resultado un valor de
pendiente menor.
Figura 6. Energía absorbida/masa vs. energía de impacto para la
estructura tubular.
En la gura 7 se muestra el desplazamiento
relacionado con la masa (mm/kg) en función de la
energía de impacto (J). Para los ensayos de tubos
estructurales realizados se puede visualizar una gráca
directamente proporcional; mientras mayor sea la
energía de impacto existe mayor desplazamiento en
relación con la masa 29.43 J, 0.0464788 mm/Kg
respectivamente y mientras menor sea la energía de
impacto existe menor desplazamiento en relación con
la masa 14.27 J, 0.02930 mm/Kg respectivamente.
Figura 7. Desplazamiento máximo/masa vs. energía de impacto para la
estructura tubular.
En la gura 8 se muestra la indentación relacionada
con la masa (mm/kg) en función de la energía de
impacto (J). Para los ensayos de tubos estructurales
realizados se puede visualizar una gráca directamente
proporcional; mientras mayor sea la energía de
impacto existe mayor indentación en relación con la
masa 29.43 J, 0.01854460 mm/kg respectivamente
y mientras menor sea la energía de impacto existe
menor indentación en relación con la masa 14.27 J,
0.01214884 mm/kg respectivamente.
Figura 8. Indentación/masa vs. energía de impacto para la estructura
tubular.
4. Conclusiones
Se determinó la capacidad de absorción de energía
de elementos tubulares fabricados con bra de carbono
tejida / epoxi (AS4/8552) y de sección de caja, en
función de la carga aplicada, la energía absorbida, el
desplazamiento máximo, la indentación instantánea
de impacto y el tiempo de contacto.
Se observó una relación lineal entre el pico de
carga/masa frente a la energía de impacto, el tiempo
de contacto frente a la energía de impacto para el
primer y segundo pico de carga, correspondientes a
una carga umbral de agrietamiento de la matriz y de
delaminación, respectivamente.
Se observó una relación lineal entre la energía
absorbida/masa, el desplazamiento vertical máximo/
masa y la relación de indentación instantánea por
impacto con la energía de impacto.
El ruido y las oscilaciones mostradas en el pico
máximo de la carga/masa frente a la energía de impacto
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en los ensayos de estructuras tubulares es mayor que
el obtenido en los ensayos de placas laminadas.
La necesidad de disponer de elementos estructurales
en los vehículos y con el n de proteger a los ocupantes
de los mismos permitió ensayar tubos con una masa
adecuada que absorbieran la energía sin fracturarse.
Los mecanismos de fallo sugeridos son la rotura de
la matriz, la delaminación y la rotura de las bras tanto
en compresión como en tensión. Este comportamiento
se ha evidenciado en las curvas de masa de carga
máxima frente a la energía de impacto y en la curva
de tiempo frente a la energía de impacto. Se determina
que la carga máxima es directamente proporcional a
la energía de impacto.
La estructura tubular es capaz de absorber una
mayor energía lo que garantiza la seguridad de los
ocupantes. Cuanto mayor sea el desplazamiento de la
estructura, mayor será la absorción de energía.
5. Referencias
[1] Akca, E., Gursel, A.: A review on the matrix
toughness of thermoplastic materials. Periodicals
of Engineering and Natural Sciences (PEN), 3(2)
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[3] Lim, T. S. M., Lee, D. G.: (2002). Mechanically
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passenger cars designed for shear-out failure
modes. Composite structures 56(2), pp. 211-221
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[4] Yan, L., Chouw, N., Jayaraman, K.: On energy
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properties of ax/epoxy composite tubes. Fibers
and Polymers, 15(6), pp.1270-1277 (2014).
[5] Remacha, M., Sánchez-Sáez, S., López-
Romano, B., Barbero, E.: (2015). A new device
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127, pp. 99-107 (2015).
[6] Ivañez, I., Garcia-Castillo, S. K., Sanchez-Saez, S.,
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damage tolerance of bonded-repaired composite
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[7] Carrera, M., Cuartero, J., Miravete, A., Jergeus,
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[8] Cheon, S. S., Choi, J. H.: Development of the
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Composite structures 32(1-4), pp. 491-499
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[9] Botkin, M. E., Modelling and optimal design of
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[10] Feraboli, P., Masini, A., Taraborrelli, L., Pivetti,
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[11] Lim, T. S., Lee D. G.: Mechanically fastened
composite side-door impact beams for passenger
cars designed for shear-out failure modes.
Composite structures 56(2), pp. 211-221 (2002).
[12] Palmer, D.W., Lawrence, C.B., Gentry,
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composite box beams: experiment and
simulation. Composites Science and Technology
58, pp.1353-1359 (1998).
[13] Lim, T.S., y Lee, D.G.: Mechanically fastened
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cars designed for shear-out failure modes.
Composites Structures 56, pp. 211-221 (2002).
[14] Charoenphan, S., Bank, L.C., Plesha, M.E.:
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[15] García‐Castillo, S. K., Buitrago, B. L., Barbero,
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[16] Sanchez-Saez, S., Barbero, E., Zaera, R.,
Navarro, C.: Compression after impact of thin
composite laminates. Composites Science and
Technology 65(13), pp. 1911-1919 (2005).
IZA, GARCÍA, IVÁÑEZ /
ANÁLISIS EXPERIMENTAL DE LA ABSORCIÓN DE ENERGÍA DE ELEMENTOS TUBULARES DE FIBRA DE CARBONO
DE SECCIÓN CUADRADA SOMETIDOS A IMPACTOS TRANSVERSALES
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Artículo Cientíco / Scientic Paper
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 10 Vol. 1 / 2021 (9) ISSN 1390 - 7395 (5/9)
6. Biografía
1
Mgs. Henry H. Iza Tobar.
Doctorando Universidad Carlos III de
Madrid
2
Dra. Shirley K. García-Castillo,
Profesora Titular de Universidad
Carlos III de Madrid.
3
Dra. Inés Iváñez, Profesora Titular
de Universidad Carlos III de Madrid.
REGISTRO DE LA PUBLICACIÓN
Fecha recepción 07 septiembre 2021
Fecha aceptación 26 noviembre 2021
IZA, GARCÍA, IVÁÑEZ /
ANÁLISIS EXPERIMENTAL DE LA ABSORCIÓN DE ENERGÍA DE ELEMENTOS TUBULARES DE FIBRA DE CARBONO
DE SECCIÓN CUADRADA SOMETIDOS A IMPACTOS TRANSVERSALES
Artículo Cientíco / Scientic Paper
- 54 -
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Revista Energía Mecánica Innovación y Futuro, X Edición 2021, No. 6 (09)
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 10 Vol. 1 / 2021 (9) ISSN 1390 - 7395 (6/9)
Abstract
The exit of the companies is in the quality of the
products. That is why they leverage the knowledge
of metrology, which is the science that studies
measurements. The objective of this investigation is
to verify the dimensional characteristics of a conical
part and, according to the specications, to make
conformity decisions.
The machine elements are characterized by having
tolerances required at very narrow fundamental
levels, reaching values below ve micrometers in
parts for aeronautical use in some of them. For this
reason, a coordinate measuring machine (CMM) was
used for the contact inspection of the conical part.
Knowing the uncertainty of measurement is important
for quality control. Metrologically, uncertainty is a
parameter that accompanies the result aligned and
adjusted to the tolerances that are the acceptance
limits linked to a specic piece. In this article, to
estimate the uncertainty, the results are applied and
interpreted based on the ISO-10012 standard in
order to determine if the product is in the conformity
zone or not. It must be taken into account that metric
inaccuracies open a huge gap to waste, signicantly
expending the organization's resources.
Keywords: Quality, uncertainty, measurement,
metrology, tolerance.
ESTIMACIÓN DE LA INCERTIDUMBRE DE MEDICIÓN
EN EL CONTROL DIMENSIONAL DE PIEZAS CÓNICAS.
ESTIMATION OF THE UNCERTAINTY OF MEASUREMENT
IN THE DIMENSIONAL CONTROL OF CONICAL PARTS.
1
Mauricio D. Chiliquinga M.,
2
Edison D. Mañay Ch.
1
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE- Centro de Estudios de Posgrado
e – mail:
1
mdchiliquinga@espe.edu.ec,
2
edmanay@espe.edu.ec
CHILIQUINGA, MAÑAY /
ESTIMACIÓN DE LA INCERTIDUMBRE DE MEDICIÓN EN EL CONTROL DIMENSIONAL DE PIEZAS CÓNICAS
Resumen
El éxito de las empresas está en la calidad de los
productos. Es por ello que, se apalancan en el
conocimiento de la metrología, que es la ciencia que
estudia las mediciones. El objetivo de esta investigación
es vericar las características dimensionales de una
pieza cónica y de acuerdo a las especicaciones tomar
decisiones de conformidad.
Los elementos de máquinas, se caracterizan por
tener tolerancias exigidas a cotas fundamentales muy
estrechas, alcanzando en algunas de ellas valores por
debajo de los cinco micrómetros en piezas de uso
aeronáutico. Es por ello que, para la inspección por
contacto de la pieza cónica se usó una máquina de
medición por coordenadas (CMM).
Es importante conocer la incertidumbre de medición
para el control de calidad. Metrológicamente la
incertidumbre es un parámetro que acompaña al
resultado alineada y ajustada a las tolerancias que
son los límites de aceptación vinculados a una
pieza especica. En este artículo, para estimar la
incertidumbre, se aplica y se interpreta los resultados
en base a la norma ISO-10012 de modo que se
determine si el producto se encuentra en la zona de
conformidad o no. Hay que tomar en cuenta que las
imprecisiones métricas abren una enorme brecha al
desperdicio gastando signicativamente los recursos
de la organización.
Palabras Clave: Calidad, incertidumbre, medición,
metrología, tolerancia.
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ESPE
Artículo Cientíco / Scientic Paper
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 10 Vol. 1 / 2021 (9) ISSN 1390 - 7395 (6/9)
1. Introducción
La presente investigación tiene por nalidad
establecer el valor de incertidumbre en la medición de
piezas de forma cónica. Toda medición lleva implícita
una incertidumbre [1]. Es un parámetro vital para
mantener el control y el aseguramiento de la calidad
en la producción. [2]
Las crecientes exigencias de calidad imponen la
utilización de tolerancias cada vez más pequeñas y
con frecuencia hay que trabajar con relaciones T/2U
inferiores a diez. [3]
En los procesos para control de calidad se maniesta,
constantemente la necesidad de sistemas más
acertados para evaluar las características geométricas
de los productos industriales [4]. Entre la diversidad
de medios la máquina de medición por coordenadas o
CMM (Coordinate Measuring Machine) es el medio
más ecaz. Es un instrumento de medición directa que
utiliza un palpador, que es un captador de posición por
contacto [4], permite localizar puntos sobre cualquier
tipo de supercie, con el n de realizar un control de
calidad de una determinada pieza manufacturada.
De acuerdo a la norma internacional ISO 10012
acreditadora de los sistemas de calidad de medición
para laboratorios especializados en mediciones,
especica que el valor de incertidumbre debe ser de
3 a 10 veces menor al semi intervalo de tolerancia
asignado a la pieza a medirse como se muestra en
la gura 1, siendo este el criterio de aceptación o
rechazar los elementos medidos. [5]
Figura 1. Tolerancia de diseño e incertidumbre de una medida.
Nota. Adaptado de Errores, incertidumbres y evaluación
de la conformidad (p.97), por Sánchez et al., 2019, Revista
Española de Metrología, 1, 93-103.
Se recomienda que el equipo de medición empleado
para la vericación de una característica concreta
tenga 10 veces menos incertidumbre que la tolerancia
a vericar. [5]
Fundamentación teórica
Metrología. Ciencia de las mediciones y sus
aplicaciones. La metrología incluye todos los aspectos
teóricos y prácticos de las mediciones, cualesquiera
que sean su incertidumbre de medida y su campo de
aplicación. [7]
Incertidumbre de medición. Según el VIM, es el
parámetro asociado al resultado de una medición, que
caracteriza la dispersión de los valores que podrían
atribuirse razonablemente al mensurando. [2]
Incertidumbre estándar: incertidumbre del
resultado de una medición expresado como desviación
estándar.
Evaluación tipo A (de incertidumbre): método de
evaluación de incertidumbre por análisis estadístico
de serie de observaciones.
Evaluación tipo B (de incertidumbre): método de
evaluación de incertidumbre por otras vías diferentes
al análisis estadístico de serie de observaciones. [8]
Estimación. Lleva a cabo un conjunto de
operaciones con el objetivo de determinar (aproximar)
el valor de una magnitud. El valor de la medición
depende de su correcta realización y una interpretación
adecuada. [8]
Medición. Proceso que consiste en obtener
experimentalmente uno o varios valores que pueden
atribuirse razonablemente a una magnitud. [7]
Magnitud. Atributo de un fenómeno, cuerpo
o sustancia, que es susceptible de ser distinguido
cualitativamente y determinado cuantitativamente.
[2]
Mensurando. El propósito de una medición es
determinar el valor de una magnitud, llamada el
mesurando, el cual es el atributo sujeto a medición
de un fenómeno, cuerpo o sustancia que puede
ser distinguido cualitativamente y determinado
cuantitativamente. La denición del mesurando es
vital para obtener buenos resultados de la medición.
[9]
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• Aumentar el número de repeticiones resulta en
una reducción de la incertidumbre.
• Un número grande de repeticiones aumenta
el tiempo de medición, que puede ser
contraproducente, si las condiciones ambientales
u otras magnitudes de entrada no se mantienen
constantes en este tiempo.
• En algunos casos se recomienda o se requiere que
n sea mayor de 10 en donde las mediciones son de
alta exactitud.
Para la evaluación de la incertidumbre, hay que
tomar en cuenta que toda variable aleatoria responde
a una cierta ley de distribución que se expresa a través
de la denominada función de distribución normal o
simplemente función de densidad de probabilidad de
X, la cual se dene de la siguiente forma:
Donde: f(x) se denomina función de densidad
de probabilidad. En la gura 2, se representa la
distribución normal, que indica la probabilidad de que
la variable μ tome valores fuera del intervalo μ±3σ es
prácticamente cero [10].
Figura 2. Distribución de probabilidad alrededor de la media en una
distribución N(μ,σ^2).
Nota. Adaptado de Distribución normal [Fotografía],
por Wikipedia, 2019, (https://es.wikipedia.org/wiki/
Distribuci%C3%B3n_normal).
La función de distribución normal es utilizada en el
cálculo de la incertidumbre cuando:
• Existe un estimado de observaciones repetidas
de un proceso que varía aleatoriamente.
• También cuando un estimado en forma de un
intervalo de conanza de un 99 % (u otro) de
probabilidad sin especicar la distribución. [10]
Nivel de conanza
El factor para un nivel de conanza dado se obtiene
a partir de la distribución t de Student con n-1 grados
Fuentes de incertidumbre
Una vez determinados el mensurando, el principio,
el método y el procedimiento de medición, se
identican las posibles fuentes de incertidumbre.[1]
Éstas provienen de los diversos factores involucrados
en la medición, por ejemplo:
• Los resultados de la calibración del instrumento.
• La incertidumbre del patrón o del material de
referencia.
• La repetibilidad de las lecturas.
• La reproducibilidad de las mediciones por cambio
de observadores, instrumentos u otros elementos.
• Características del propio instrumento, como
resolución, histéresis, deriva, etc.
• Variaciones de las condiciones ambientales.
• La denición del propio mensurando.
• El modelo particular de la medición.
• Variaciones en las magnitudes de inuencia
Cálculo de la incertidumbre
Principalmente se distinguen dos métodos
principales para cuanticar las fuentes de
incertidumbre: El Método de Evaluación Tipo A
está basado en un análisis estadístico de una serie de
mediciones, mientras el Método de Evaluación Tipo
B comprende todas las demás maneras de estimar la
incertidumbre, se supone una distribución con base en
experiencia o información externa al metrólogo. [9]
Para la presente investigación se evaluación la
incertidumbre en base al tipo A, se estima basándose
en mediciones repetidas obtenidas del mismo proceso
de medición a través de métodos estadístico.
Evaluación tipo A de la incertidumbre estándar
La incertidumbre de una magnitud de entrada X_i
obtenida a partir de observaciones repetidas bajo
condiciones de repetibilidad, se estima con base en la
dispersión de los resultados individuales.
Para el cálculo de la incertidumbre no se puede
dar una recomendación general para el número ideal
de las repeticiones (n), ya que éste depende de las
condiciones y exigencias (meta para la incertidumbre)
de cada medición especíca [1]. Hay que considerar
que:
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de libertad, siendo n el número de mediciones, o bien
de la distribución normal, si el número de reiteraciones
es sucientemente grande. [11]
Distancia radial
La distancia radial es la medida existente entre dos
objetos con ubicación distinta.
Matemáticamente es la longitud de un segmento
de recta comprendido entre dos o más puntos en el
espacio. [12]
Media Aritmética
La media o el valor medio que resulta de un número
de medidas se dene como la suma de los resultados
dividido entre el número de medidas [13]:
Desviación Estándar
La desviación estándar del promedio de las
muestras, es la función estadística utilizada para
la cuanticación de la incertidumbre estándar de
medición. [10]
La incertidumbre estándar de la media se estima en
este caso por [10]:
Incertidumbre Estándar de Medición
El valor de incertidumbre se la obtiene mediante
la multiplicación de la incertidumbre estándar de
medición por un valor de nivel de conanza. [14]
Donde:
• u: Valor de incertidumbre estándar de la medición.
• Desviación estándar de la media. ´
• Nivel de conanza al 99 % y grados
de libertad de n-1.
2. Materiales, fuentes y métodos
La incertidumbre se obtiene en función de la norma
ISO 10012. El cual indica el procedimiento para
calcular el valor de incertidumbre en base al factor de
conanza.
Para el cálculo de la incertidumbre se debe obtener
un número suciente de datos en diferentes posiciones.
El conjunto de datos obtenidos se utiliza en el cálculo
de la distancia radial, la media aritmética, desviación
estándar, desviación estándar de la media, distribución
normal e incertidumbre, que permiten establecer el
criterio si la pieza manufacturada se encuentra en la
zona de conformidad o no.
Una máquina de medición por coordenadas permite
la medición con precisión, exactitud de las dimensiones
de una pieza manufacturada. Por lo cual se emplea una
CMM (Figura 3) con las siguientes características:
exactitud del 99,8913% y repetibilidad de 0,13017752
mm, el cual cumple con los estándares de control de
calidad [14].
Figura 3. CMM de control de calidad
3. Resultados y Discusión
Cuando se da a conocer el resultado de la medición
de una cierta cantidad física, es indispensable dar una
indicación cuantitativa de la calidad del resultado,
para que pueda tenerse una idea de su conabilidad.
Sin esto, es imposible hacer comparaciones de dichos
resultados, ya sea entre ellos mismos, o con valores
de referencia. Por ello debe existir un procedimiento
comprensible y aceptado generalmente que lleve a una
evaluación y expresión apropiada de la incertidumbre.
[15]
En la norma internacional ISO 10012 encargada
de especicar los requerimientos genéricos y
asesoramiento para los procesos de medición y
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conformación metrológica de los equipos de medición,
se establece parámetros para obtener la incertidumbre
de medición. En la presente se va a realizar la prueba
de cálculo de error de conicidad para determinar la
incertidumbre de dichas mediciones.
En la Figura 4, se presenta el elemento cónico
utilizado en el análisis.
Figura 4. Pieza cónica, elemento de prueba
Nota. La pieza de análisis tiene una forma cónica y se la
encuentra en los acoples para aseguramiento de herramientas de
corte sobre centros de mecanizado CNC.
El proceso de medición consiste en tomar 12 puntos
indistintos por cada nivel, 6 niveles por cono, con un
total de 72 lecturas, como se muestra en la Figura 5.
Figura 5. Pieza cónica, elemento de prueba
En las Tabla 1, se presenta los datos obtenidos en
las mediciones del cono de (32,58 mm de altura, 22.21
mm de radio mayor y 12.81 mm de radio menor) y
una tolerancia de ±0.3 mm emitida por el fabricante.
Figura 4. Representación de las curvas de la fuerza/masa vs. energía de
impacto para la estructura tubular.
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Figura 7. Distribución normal estándar del nivel 1.
Figura 8. Distribución normal estándar del nivel 2.
Figura 9. Distribución normal estándar del nivel 3.
Figura 9. Distribución normal estándar del nivel 3.
A partir de las coordenadas (x,y,z), se calcula la
distancia radial (d) mediante la Ecuación 2, es la
distancia entre el centro del cono (punto de origen
(0,0,0) de la pieza) y el punto sondeado. En la Figura
6, se presenta la distancia radial con respecto al origen
de la pieza. La distancia radial es un valor fundamental
para los cálculos siguientes.
Figura 6. Distancia radial del Nivel 2 con respecto al punto de origen.
En las Figuras 7, 8, 9, 10, 11, 12, se presenta los
resultados que se aproximan a la campana de Gauss
en base a los cálculos aplicados con la Ecuación 1.
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Figura 10. Distribución normal estándar del nivel 4.
Figura 11. Distribución normal estándar del nivel 5.
Figura 12. Distribución normal estándar del nivel 6.
Se puede visualizar en las Figuras 7-12, que el valor
real de medición para una determinada posición se
encuentra dentro del rango de la Distribución Normal
Estándar ya que no supera la tolerancia de 0.3mm, la
nalidad es validar el valor de incertidumbre de cada
muestra.
Para obtener un resultado concluyente de la
incertidumbre de medición con la CMM, tomamos
los resultados de la distribución normal de Tabla 1,
por cada nivel y aplicamos las ecuaciones 3, 4, 5, 6.
De acuerdo a la tabla de nivel de conanza [6],
valores críticos de la distribución t de Student y según
los grados de libertad “n-1”, es decir un grado de
libertad de 11 de acuerdo a las 12 lecturas por cada
nivel y con un factor de conanza del 99% (3,11),
todos estos datos son especícos para muestras
menores de 20 lecturas, se obtiene los datos necesarios
para la ecuación 6.
En la Tabla 2, se presenta los resultados con una
incertidumbre al 99 % de nivel de conanza.
Tabla 2. Resultado de Incertidumbre al 99 % de conanza
Muestra Promedio
Desviación
Estándar
Desviación
Media
Incertidumbre
99 %
Nivel 1 16,94628 0 ,059411 0,01715 0,0533
Nivel 2 12,81784 0 ,058456 0,016874 0,05248
Nivel 3 10,08932 0 ,054103 0,015618 0,048572
Nivel 4 10,12232 0 ,058816 0,016978 0,052804
Nivel 5 12,81824 0 ,056768 0,016387 0,050965
Nivel 6 16,98313 0 ,06798 0 ,01962 0,06103
Figura 13. Incertidumbre al 99% de conanza.
El cono utilizado para la prueba tiene una tolerancia
de emitido por el fabricante y de acuerdo
con el criterio de seguridad de la norma ISO 10012,
el valor de la incertidumbre debe ser como mínimo 3
veces menor al semi-intervalo o al valor medio de la
tolerancia, es decir, tres veces menor a 0.3 mm.
Como se puede observar en la Tabla 2 y en la Figura
13, en las 72 muestras tomadas (12 por cada nivel), el
valor de incertidumbre al 99 % de nivel de conanza
varía entre 0.048 mm y 0.061mm, siendo estos datos
aproximadamente 3 veces menor al valor medio de
la tolerancia establecida por el fabricante, por lo que
se puede indicar que las mediciones realizadas por
el CMM proyectan un valor de medida muy cercano
a la real y estos se encuentran dentro del criterio de
aceptación de la norma ISO 10012.
4. Conclusiones
En cualquier medición siempre se tiene presente
una serie de errores procedentes de distintas fuentes:
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el mensurando, el instrumento de medida, las
condiciones ambientales, el operador.
Para expresar el resultado de medición de una
magnitud física, es obligado dar alguna indicación
cuantitativa de la calidad del mismo ya que, sin dicha
indicación, las mediciones no pueden compararse
entre sí, ni con valores de referencia.
Las mediciones deben expresarse, en general,
en la forma Y U, donde Y es el resultado más
probable (normalmente el valor medio de una serie
de mediciones) y U es la incertidumbre de medida
asociada al mismo. Cuanto menor sea la incertidumbre
U del resultado de la medida más amplia será la zona
de conformidad, de modo que las piezas tendrán una
mejor calidad.
El valor de incertidumbre calculado es de 3 veces
menor a la tolerancia con un nivel de conanza al
99%, por lo cual el cono medido se encuentra dentro
de la zona de conformidad y cumple con los estándares
de calidad; lo que ayuda a mejorar, asegurar el nivel
de calidad de los productos manufacturados y de
esta manera tomar las decisiones idóneas en cuanto
aceptar o rechazar las piezas.
5. Referencias
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para estimar la incertidumbre de la medición.
CENAM, El Marquez, Qro., México.
[2] Hipp, J., Hill, C., & Hall, M. (2007). Evaluación
de datos de medición Guía para la Expresión de
la Incertidumbre de Medida. España. NIPO.
[3] Sánchez Pérez, Ángel & de Vicente y Oliva, Jesús
& Prieto, Emilio. (2012). Errores, incertidumbres
y evaluación de la conformidad. Revista Española
de Metrología, 1, 93-103.
[4] Onaciu, T. (2004). Sistemas para la adquisición
de puntos en máquinas de medir por coordenadas.
Informador Técnico, 68, 29–35. https://doi.
org/10.23850/22565035.811
[5] Sevilla-Hurtado, L. (2001). Análisis comparativo
y propuesta metodológica para la evaluación de
incertidumbres en métodos de medida indirecta
de ángulos (Doctoral dissertation, Universidad de
Málaga).
[6] Sevilla, J. M. O. (2014). La incertidumbre en
la medida de una magnitud y el método de
Montecarlo. Técnica Industrial, 306, 54-64.
[7] IMNC, N. M. (2008). Vocabulario internacional
de metrología—Conceptos fundamentales y
generales, términos asociados (VIM).
[8] Cuello Mejía, D. A. (2015). Metodología para la
estimación de incertidumbre en la calibración en
un laboratorio de metrología. Departamento de
Ingeniería Eléctrica y Electrónica.
[9] Acosta Ortega, J. R. (2009). Investigación de los
elementos que actúan sobre la incertidumbre de
la medición (Doctoral dissertation, Universidad
Central" Marta Abreu" de Las Villas).
[10] Ruiz, S. S., & Avila, L. F. (2001). Incertidumbre
de la medición: teoría y práctica. Maracay: L&S
Consultores.
[11] Hernández, M. M. P. (2012). Estimación de
incertidumbres. Guía GUM. Revista Española de
Metrología, 1(3), 113-130.
[12] Flack, D. (2001). Measurement Good Practice
Guide No. 42. CMM Verication. National
Physical Laboratory.
[13] Mook, W. G. (Ed.). (2002). Isótopos
ambientales en el ciclo hidrológico (Vol. 1).
IGME.
[14] Chiliquinga Malliquinga, M.D. & Jara Ramos,
W. M. (2017). Diseño e implementación de una
celda de manufactura exible de orden aleatorio
y distribución en línea con control de calidad
para prácticas de FMS en el laboratorio De CNC.
[Tesis de Ingeniería, Universidad de las Fuerzas
Armadas “ESPE” Extensión Latacunga].
[15] Miranda, J. (2001). Evaluación de la
incertidumbre en datos experimentales. Instituto
de Fıısica, UNAM, Méexico.
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6. Biografía
1
Mauricio Chiliquinga. – Ingeniero
en Mecatrónica, Maestrante en
Electrónica y Automatización
mención Redes Industriales
(Universidad de las Fuerzas
Armadas ESPE), Desarrollador
Electrónico en Person Technology
en Salcedo, Ecuador.
2
Edison Mañay. – Ingeniero en
Mecatrónica, Maestrante en
Electrónica y Automatización
mención Redes Industriales
(Universidad de las Fuerzas Armadas
ESPE), Fundador de Alfa Soluciones
e Ingeniería, Consultor en proyectos
de Automatización y redes IoT en
Salcedo, Ecuador.
REGISTRO DE LA PUBLICACIÓN
Fecha recepción 23 abril 2021
Fecha aceptación 14 junio 2021
Artículo Cientíco / Scientic Paper
Revista Energía Mecánica Innovación y Futuro, X Edición 2021, No. 7 (09)
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No. 10 Vol. 1 / 2021 (9) ISSN 1390 - 7395 (7/9)
Abstract
One of the most eective alternatives to increase
the power and torque performance of an internal
combustion engine is automotive programmable
electronics; this technical material tries to be a useful
guide to enthusiasts and specialized professionals
in the topic; programming step by step the fuel and
ignition maps of a Fueltech FT 600 programable ECU,
installed in a Honda Civic, a Swap engine with a B20Z
block and a B16B type R cylinder head, propelled with
Sunoco Standard high-octane gasoline. Experimental
method is applied through two independent variables
and one dependent variable. The two independent
variables belong to the numerical tampering
-programming- of the injection pulse width and the
ignition advance angle, which have an impact on the
improvement of power and torque of the engine, being
this the dependent variable; corroborated process
with several tests carried out in a MWD RR760
chassis inertial dynamometer governed by SAE J1349
standard regulation. The programming of fuel and
ignition maps allowed to reach a net gain of 39,82 CV
of power and 9,69 kg*m of torque, these results were
achieved in the last dynamometer test completed in
the programming process.
Keywords: Ignition timing advance, programmable
ECU, SAE J1349, Wide Band, injection timing.
EFECTO DE AVANCE AL ENCENDIDO Y TIEMPO DE INYECCIÓN DE UN
SWAP DE MOTOR SERIE B A 2800 MSNM UTILIZANDO ELECTRÓNICA
PROGRAMABLE PARA MEJORAR LA POTENCIA.
EFFECT OF THE IGNITION TIMING ADVANCE AND INJECTION TIMING
OF A SERIE B SWAP ENGINE AT 2800 MAMSL USING PROGRAMMABLE
ELECTRONICS TO IMPROVE THE POWER.
1
David Arturo Del Castillo Freire,
2
Jorge Fernando Suárez Aimacaña
1
Universidad Internacional del Ecuador, Facultad de Ciencias Técnicas, Escuela de Ingeniería Automotriz
e – mail:
1
dadelcastillofr@uide.edu.ec,
2
josuarezai@uide.edu.ec
DEL CASTILLO, SUÁREZ /
EFECTO DE AVANCE AL ENCENDIDO Y TIEMPO DE INYECCIÓN DE UN SWAP DE MOTOR SERIE B A 2800 MSNM
UTILIZANDO ELECTRÓNICA PROGRAMABLE PARA MEJORAR LA POTENCIA.
Resumen
Una de las alternativas más efectivas para incrementar
las prestaciones de potencia y torque de un motor de
combustión interna es la electrónica programable
automotriz; el presente proyecto de investigación
busca ser una guía práctica para acionados y
profesionales especializados en el tema; al programar
paso a paso los submapas de combustible e ignición
de una ECU programable Fueltech FT 600, instalada
en un vehículo Honda Civic, con un Swap de motor
constituido por un bloque de la serie B20Z y un
cabezote de la serie B16B tipo R, propulsado con
gasolina de alto octanaje Sunoco Standard. Se aplica
el método experimental, a través de dos variables
independientes y una dependiente. Las dos variables
independientes corresponden a la manipulación
numérica -programación- del ancho de pulso de
inyección y del ángulo de avance al encendido, las
cuales inciden en la mejora de potencia y torque del
motor, siendo ésta la variable dependiente; proceso
corroborado mediante diversos ensayos desarrollados
en un dinamómetro inercial de chasis MWD RR760
regido por la normativa SAE J1349.La programación
de los submapas de combustible e ignición, permitió
alcanzar una ganancia neta de 44,1 CV en potencia
y de 2,0 kg*m en torque, resultado arrojado por el
último ensayo dinamométrico efectuado en el proceso
de programación.
Palabras Clave: Avance al encendido, ECU
programable, SAE J1349, sensor de banda ancha,
tiempo de inyección.
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1. Introducción
Hace poco, los fabricantes de ECU’s automotrices
solían impregnar en sus unidades chips de memoria
abierta que almacenaban información correspondiente
a la conguración del motor en forma de datos, los
cuales podían ser extraídos, leídos y posteriormente
analizados [1].
El contenido de los datos era simplemente una
secuencia de números que de manera supercial
no tenía sentido, hasta que algunas compañías
especializadas en el tuneo de datos, actualmente
conocidas como fabricantes de ECU’s programables
empezaron a manipular y alterar sus funciones para
evidenciar el efecto en el rendimiento del motor. Al
comienzo no se demostró un resultado satisfactorio,
sin embargo, en ocasiones los vehículos alcanzaban
velocidades mayores, corroborándose un incremento
en su potencia [1].
El mapeo de computadoras automotrices es una
especialidad cuyo n busca mejorar las prestaciones
de torque y potencia de un motor de combustión
interna a través de la adaptación y manipulación de
una ECU programable en función de dos variables
que desempeñan un rol fundamental en el sistema de
gestión electrónica: el efecto de avance al encendido
y el tiempo de inyección, las cuales operan con base
en el comportamiento de ciertos parámetros como:
revoluciones del motor, posición de la mariposa
de aceleración, presión absoluta del múltiple de
admisión, corrección de la mezcla aire-combustible,
y temperatura del líquido refrigerante [2].
El proceso de programación de una ECU programable
empieza con el seteo de los sensores y actuadores
del motor, de acuerdo con sus especicaciones
y características de operación, obteniendo como
resultado un mapa denominado base, por parte de la
computadora de manera automática, tanto de avance
al encendido medido en grados, así como de tiempo
de inyección medido en milisegundos.
Generalmente todo mapa base es ajustado y
modicado con el objeto de obtener mayores
prestaciones de potencia, generándose otro u otros
mapas denominados programaciones.
Un motor destinado a competición puede tener
diversos mapas conforme a condiciones especícas,
tales como: la geometría de la pista; habilidad,
desempeño, y forma de conducción del piloto.
El ajuste y calibración del motor se lo realiza
modicando en la ECU programable los parámetros
operativos de cada zona del mapa base, mediante el
uso de un dinamómetro de chasis, a través del cual
es posible determinar si el rendimiento obtenido del
motor se ajusta a las especicaciones deseadas en
cada una de sus zonas de operación [3].
2. Materiales y métodos
2.1 Materiales
Para el desarrollo del presente artículo se empleó
una ECU programable Fueltech FT600.
Tabla 1. Especicaciones generales y técnicas de la ECU
programable Fueltech FT600.
DEL CASTILLO, SUÁREZ /
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UTILIZANDO ELECTRÓNICA PROGRAMABLE PARA MEJORAR LA POTENCIA.
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Gasolina de alto octanaje Sunoco Standard de 110
octanos.
Tabla 4. Especicaciones técnicas de gasolina Sunoco Standard.
Es menester puntualizar que, para el Swap del
motor, se decidió apostar por un sistema de inyección
electrónica de tipo secuencial; se optó por instalar
un módulo EPM de AEM en el conjunto del árbol de
levas, el que incorpora internamente la sincronización
de los sensores CKP y CMP, imprescindible para el
encendido e inyección secuencial.
Tabla 5. Especicaciones del módulo de posición del motor EPM de
AEM.
EPM AEM
Sensor
(Efecto
Hall)
Pulsos
Grados
por Ciclo
Voltaje de
operación
CKP 24 720º
(0-12) V
CMP 1 360º
(0-12) V
2.2 Métodos
Este artículo fue elaborado a través de un método
experimental, con dos variables independientes
Un Swap -cambio de ciertas partes mecánicas de
un motor- de Honda, constituido por un bloque de
la serie B20Z y un cabezote de la serie B16B tipo
R; además de contar con algunas modicaciones
adicionales como camisas y bielas forjadas, pistones
de alta compresión, entre otras; incorporado en un
vehículo tipo Hatchback modelo Civic del 2001.
Tabla 2. Especicaciones técnicas del Swap del motor B20Z y B16B
Tipo R.
Un dinamómetro de rodillo inercial de chasis
MWD RR760.rtidumbre de medida y su campo de
aplicación. [7]
Tabla 3. Especicaciones del Dinamómetro de Rodillo Inercial de
Chasis MWD RR760.
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y una dependiente, interpretadas como causa y
efecto respectivamente [9]. La primera variable
independiente es el tiempo de inyección, la segunda
el avance al encendido; dando como resultado la
variable dependiente, que corresponde a la mejora de
las prestaciones de potencia y torque del motor.
Conforme a la planicación establecida en función
de la utilidad del vehículo, se elaboró un mapa,
exclusivo para competir en la icónica carrera, Las
Seis horas de Yahuarcocha, impulsado con gasolina
Sunoco Standard de 110 octanos.
La programación se desarrolló en la ciudad de
Otavalo, localizada a una altitud de 2536 msnm, a una
presión atmosférica de 75,30 KPa y a una temperatura
local de 26 ºC.
2.2.1 Procedimiento
La programación de una ECU programable inicia
con su respectivo seteo, en el que se conguran
parámetros especícos relacionados con la operación
del motor, tales como: tipo de inyección, sistema y
orden de encendido, compresión, sensor principal
(TPS o MAP) para las tablas de inyección e ignición,
entre otros.
Una vez concluido el seteo, se obtiene un mapa
inicial, también conocido como mapa base, cuyo
objetivo es mantener la operación del motor estable
en todas las condiciones, especialmente en ralentí.
Se puede denir al mapa base como el origen de
las programaciones, que dan como resultado un
mapa nal, en el cual se ha alcanzado la máxima
potencia y torque del motor, a través de una seria
de manipulaciones numéricas en los submapas de
combustible e ignición.
Es importante mencionar que, para conocer y
corroborar las mejoras obtenidas en el mapa nal a
través de las programaciones, se debe emplear un
dinamómetro de rodillo inercial de chasis, el cual
se rige por la normativa SAE J1349 [10], cuyas
condiciones ambientales utilizadas como parámetro
son las siguientes:
Tabla 6. Condiciones ambientales para ensayo en el dinamómetro
estipuladas en la normativa SAE J1349.
Variable
Atmosférica
Condición Estándar
Temperatura del
Aire
25 ºC ± 10 ºC
Presión
Barométrica
90-105 kPa
Humedad
Relativa
50% ± 20%
Velocidad del
Viento
Menor a 7 m/s
Superficie de
Prueba*
Superficie pavimentada
dura, nivelada y seca
*Incluida en el cuadro c omo Variable A tmosférica, a
pesar de no serlo, por su relevancia en el ensayo.
Antes de profundizar en la programación de los
submapas de combustible, así como de ignición; hay
que tomar en cuenta que ambos son gestionados por
dos variables. La primera variable corresponde a las
revoluciones del motor monitoreadas por el sensor
CKP; la segunda y más importante, al vacío del
múltiple de admisión, el cual puede ser controlado por
el sensor TPS o MAP.
La elección de la segunda variable depende
principalmente de: la experiencia del programador,
modo de conducción del piloto, sistema de admisión
del motor, tipo de competición, perl de levas del
árbol, entre otras; sin embargo, se opta por el sensor
TPS, acogiendo la recomendación estipulada por el
fabricante de la ECU para motores con distribución
variable, en este caso, la de VTEC.
2.2.1.1 Tabla (Submapa) de Combustible
La tabla de combustible maneja el ancho de pulso
de inyección medido en milisegundos, ejecutado por la
ECU a través de los inyectores; en función de una tabla
previamente diseñada denominada Sonda Objetivo,
cuyos valores -factores lambda- son tomados como
referencia por el programador para ajustar el ancho
de pulso óptimo en cada zona operativa del motor:
ralentí, crucero, y máxima potencia.
Con el n de entender detalladamente este
procedimiento, es indispensable hacer hincapié en las
cuatro sondas implicadas al momento de programar el
submapa de combustible:
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2.2.1.1.1 Sonda Objetivo (λ objetivo)
Sus valores dictaminan el factor lambda al que se
desea llegar en cada zona operativa del motor.
2.2.1.1.2 Sonda Circuito Cerrado (λ real)
Sus valores indican el factor lambda real en cada
zona operativa del motor, ya que, a pesar de haber
establecido valores objetivos, en la operación del
motor éstos dieren irrisoriamente.
2.2.1.1.3 Corrección Sonda (corrección
porcentual, dispuesta en %)
Sus valores indican la corrección porcentual
aplicada al factor lambda real en cada zona operativa
del motor.
2.2.1.1.4 Sonda General (λ corregido)
Sus valores indican el factor lambda real, incluido
el porcentaje de corrección; es importante mencionar
que es ésta con la que se programa el ancho de pulso,
y la que más se aproxima al factor lambda objetivo.
Los valores recomendados para la tabla Sonda
Objetivo antes mencionada son los siguientes:
Tabla 7. Valores recomendados para la tabla Sonda Objetivo.
Zona
Operativa
del Motor
Recomendado
(Sonda
Objetivo)
Rango
rpm’s
Rango
TPS
(%)
Ralentí
1
0
a
2000
0
a
20
Crucero
0,975 a 0,930
2000
a
5000
20
a
50
Máxima
Potencia
0,920 a 0,880
5000
a
9000
50
a
100
La programación del submapa de combustible
consiste en ajustar -aumentar o disminuir- el ancho
de pulso de inyección en las tres zonas operativas
del motor con el uso de la Wide Band; considerando
que los valores de Sonda General limiten con los
de Sonda Objetivo, manteniendo un buen ritmo de
operación del motor, en especial a altas cargas, lo cual
es posible siempre y cuando se haya anado de manera
impecable las correcciones porcentuales Corrección
Sonda, aplicadas sobre Sonda Circuito Cerrado.
Para las correcciones porcentuales Corrección
Sonda, aplicadas sobre Sonda Circuito Cerrado, se
recomiendan los siguientes valores:
Tabla 8. Valores porcentuales de corrección recomendados a aplicarse
en Sonda Circuito Cerrado.
Zona
Operativa
del Motor
% de
Corrección
Recomendado
Rango
rpm’s
Rango
TPS
(%)
Ralentí
(40-50) %
0
a
2000
0
a
20
Crucero
20%
2000
a
5000
20
a
50
Máxima
Potencia
10%
5000
a
9000
50
a
100
Conforme consta en la tabla anterior, a menor
vacío se recomienda un menor rango de corrección
porcentual, debido a que, al haber alta demanda de
potencia, no es factible correr el riesgo de efectuar
correcciones tan bruscas que puedan perjudicar la
estabilidad del motor en esta condición.
Cabe mencionar que únicamente las modicaciones
realizadas de izquierda a derecha inuyen en la
programación, ya que el motor se encuentra en plena
aceleración y demanda de potencia, las modicaciones
realizadas en dirección inversa a la mencionada,
no. Además, hay que destacar que el ajuste de la
zona de crucero es el más importante y complejo de
programar, ya que marca la transición entre ralentí y
máxima potencia.
Para las modicaciones realizadas en
desaceleración, es aconsejable colocar valores con
mezclas menos ricas que las de aceleración, con el n
de optimizar el consumo de combustible manteniendo
altas prestaciones.
A continuación, se reeja la tabla Sonda Objetivo
utilizada como modelo de programación para el
submapa de combustible con su respectivo gráco.
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manera, a nivel que aumenta la carga del motor, se
debe disminuir los grados de adelanto, es decir,
retardarlos; debido a que, al existir mezclas más
ricas para compensar el esfuerzo, aumentan las
probabilidades de pre encendido [11].
3. Resultados y Discusión
Una vez realizadas las programaciones de los
submapas de combustible e ignición, en función del
procedimiento detallado previamente, es fundamental
analizar las diferencias más importantes entre los
submapas base vs nales; previo a evidenciar su efecto
sobre las prestaciones originales del motor.
3.1 Análisis de submapas de combustible
3.1.1 Base
Figura 2. Submapa Base de Combustible.
3.1.2 Final
Figura 3. Submapa nal -programación- de Combustible.
Como se puede observar en las tablas, el ancho
de pulso en cada una de las zonas operativas, es más
elevado en el submapa base que en el nal; esto se
debe a que el primero es el que se utiliza para encender
por primera vez el motor, posterior a la conexión del
cableado de la ECU y previo a las programaciones
efectuadas. Este suceso generalmente provoca que no
exista un ralentí estable, razón por la cual se inicia a
manipular el ancho de pulso, e ir extrayendo poco a
poco gasolina hasta hallar la sincronía perfecta entre
rendimiento y eciencia. De este modo, es menester
aclarar que un excesivo gasto de combustible no
Figura 1. Tabla Sonda Objetivo.
2.2.1.2 Tabla (Submapa) de Ignición
La tabla de ignición gestiona el avance al encendido
medido en grados en cada zona operativa del motor,
ejecutado por la ECU a través de una señal enviada
hacia cada una de las bobinas que conforman el
sistema de encendido COP.
La programación del submapa de ignición se basa en
la cantidad de grados adelantados en cada zona. Dicha
cantidad es manipulada y anada por el programador
en función de un rango de valores recomendado y
utilizado como patrón; tomando en cuenta que a nivel
que aumentan las rpm’s y desciende el vacío se debe
establecer mayor adelanto, procurando no producir
efectos de pre encendido o picado.
Los grados de adelanto recomendados son los
siguientes:
Tabla 9. Grados de adelanto APMS recomendados en la programación
del submapa de ignición.
Zona
Operativa
del Motor
Grados de
Adelanto
Recomendados
Rango
rpm’s
Rango
TPS
(%)
Ralentí
(10-15) º
APMS
0
a
2000
0
a
20
Crucero
(25-30) º
APMS
2000
a
5000
20
a
50
Máxima
Potencia
(30-40) º
APMS
5000
a
9000
50
a
100
Es importante hacer hincapié en que, no siempre
el último grado de adelanto antes de evidenciar pre
encendido será el más efectivo. Dicho de otra manera,
un motor puede alcanzar su máxima potencia con
un avance de 32º, sin embargo, probablemente no
experimente pre encendido hasta los 40º. De igual
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necesariamente asegura una mejora. La estrategia en
la programación del submapa de combustible, consiste
esencialmente en encontrar las máximas prestaciones
de potencia y torque optimizando la mayor cantidad de
gasolina, alcanzando un motor anado en cada zona
operativa.
3.2 Análisis de submapas de combustible
3.2.1 Base
Figura 4. Submapa Base de Ignición.
3.2.2 Final
Figura 5. Submapa nal -programación- de Ignición.
Como se puede apreciar en las tablas, el avance al
encendido APMS en cada una de las zonas operativas
es menor en el submapa base que en la programación;
debido a que la ECU únicamente establece un
adelanto ligero, lo suciente para mantener el motor
estable y, sobre todo, generar una armonía con el
submapa base de combustible, cuyo ancho de pulso es
de por sí elevado. En este punto entra la experticia del
programador para hallar el avance idóneo buscando la
mejora de las prestaciones. Cabe indicar que a las 400
rpm`s, régimen establecido como partida y encendido
del motor, existe un avance mayor que en el rango
de (600 a 800) rpm`s, con el n de lograr arrancar el
motor de manera inmediata y sin complicaciones.
3.3 Resultados
Después de analizar los aspectos importantes
de los submapas de combustible e ignición base vs
nales, es trascendental examinar la incidencia de
las programaciones sobre las prestaciones del motor;
a través de la primera gráca obtenida con el mapa
base, así como la última con la programación, en la
que es posible evidenciar la máxima potencia y torque
alcanzados.
Figura 6. Gráca de potencia y torque: mapa base vs programación.
De igual manera, una tabla comparativa entre las
prestaciones iniciales del motor, y las logradas con la
programación de la ECU.
Tabla 10. Tabla comparativa de prestaciones de potencia y torque,
iniciales vs nales.
Potencia
Torque
Mapa Base
196,0 CV
@
6551 rpm
21,6 Kg*m
@
6361 rpm
Programación
240,1 CV
@
7790 rpm
23,6 Kg*m
@
6565 rpm
Ganancia
Neta
44,1 CV 2,0 Kg*m
Porcentaje de
Ganancia
18,37% 8,47%
Como lo demuestra la tabla anterior, el porcentaje
de ganancia en cuanto a potencia y torque es
denitivamente considerable, lo cual permite armar
que una buena programación en la gestión electrónica
del motor, puede generar excelentes cambios en sus
prestaciones.
Una vez realizadas las programaciones de los
submapas de combustible e ignición, en función del
procedimiento detallado previamente, es fundamental
analizar las diferencias más importantes entre los
submapas base vs nales; previo a evidenciar su
efecto sobre las prestaciones originales del motor.
4. Conclusiones
La situación actual del Swag del motor B20Z y
B16B tipo R con respecto a su desempeño, se remite
al primer ensayo con el mapa base realizado en el
dinamómetro, el cual generó una potencia corregida
-normalizada- de 196,0 CV @ 6551 rpm’s y un torque
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de 21,6 kg*m @ 6361 rpm’s.
Los conceptos básicos de la electrónica programable
automotriz, se limitan esencialmente al avance al
encendido medido en grados y al tiempo de inyección
medido en milisegundos; cuya manipulación
-programación- iniciada desde sus submapas base,
permiten mejorar las prestaciones de potencia y
torque del motor.
El modelo de implementación de un mapa es
ejecutado a través de una programación adecuada,
tomando en consideración ciertas condiciones: tipo de
competencia, geometría de la pista, cargas sometidas
al motor y tipo de conducción del piloto. Una vez
analizadas dichas condiciones, la programación
empieza con un submapa base, tanto de combustible
como de ignición. En el primero se manipula en ancho
de pulso de inyección en función de Sonda General
mediante el uso de la WideBand. En el segundo
se manipulan los grados de avance al encendido
inspeccionando que no exista pre encendido. El
orden de programación siempre inicia por el submapa
de combustible y termina con el de ignición. Cabe
mencionar que una mayor cantidad de gasolina y el
máximo adelanto al encendido antes de evidenciar
pre encendido, no necesariamente asegura mayor
potencia y torque.
La programación de los submapas de combustible
e ignición generó una ganancia neta de 44,1 CV de
potencia y de 2,0 kg*m de torque, lo que corrobora
que la mejor forma de mejorar las prestaciones de
un motor de combustión interna es a través de la
programación de su ECU.
5. Referencias
[1] R. Valle, J. Barros, J. Baeta and F. Pujatti,
"Mapping Procedure Applied to General Engine
Management System for Spark Plug Engines,"
SAE Technical Paper Series , pp. 1-10, doi:
10.4271/2004-01-3435, 2004.
D. Álvarez y D. Quinteros, Preparación y modicación
de inyección electrónica programable con
telemetría unidireccional de un motor para rally
en un automóvil Mazda 323 (Tesis de grado de
Ingeniería), Escuela Superior Politécnica de
Chimborazo, Riobamba-Ecuador, 2011, pp. 281-
283.
C. Hardie, H. Tait, S. Craig, J. Chase, B. Smith
and G. Harris, "Automated tuning of an
engine management unit for an automotive
engine," Proceedings of the Institution of
Mechanical Engineers, Part D: Journal of
Automobile Engineering, 21, pp. 841-849, doi:
10.1177/095440700221600107, 2002.
FuelTech, Fueltech FT600, FT550, FT550LITE,
FT450 Owner's Manual, Ball Ground, GA,
Georgia, GA: FuelTech, pp. 8-9.
Honda Motor CO., Ltd., Honda Civic 1996-2000
Service Manual, Tokyo : Honda Motor CO, 1999,
pp. 3-3,3-5.
MWD Bancos de Prueba, «Rodillo Inercial De
Chasis MWD RR760i para Vehículos Livianos,»
MWD, [En línea]. Available: https://mwdyno.
com/producto/rr-760i-2/.
Sunoco LP, "Sunoco Race Fuels (Standard Gasoline),"
19 Octubre 2016. [Online]. Available: https://
www.sunocoracefuels.com/fuel/standard.
AEM Performance Electronics, Instruction Manual
P/N 30-2860 B Series COP Conversion Kit,
Hawthorne, CA., California: AEM Performance
Electronics, 2011, pp. 3-8.
R. Hernández Sampieri, C. Fernández Collado y P.
Baptista Lucio, Metodología de la Investigación,
vol. 6ta Edición, México, D.F.: McGraw-Hill
Interamericana Editores , 2014, pp. 127-130.
SAE Power Test Code Committee, "Engine Power
Test Code—Spark Ignition and Compression
Ignition—Net Power Rating," SAE Technical
Standards, 2004.
M. Díaz, L. Sopa, G. Erazo y F. Salazar,
«Reprogramación electrónica del vehículo
Corsa Evolution 1.4, para elevar los parámetros
característicos del motor de combustión interna,»
Energía Mecánica, Innovación y Futuro, pp. 1-5;
ISNN: 1390-7395, 2013.
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6. Biografía
1
David Arturo Del Castillo Freire
– Ingeniero en Mecánica
Automotriz (Universidad
Internacional del Ecuador).
2
Jorge Fernando Suárez Aimacaña
– Doctorando en Humanidades y
Artes mención Ciencias de la
Educación (Universidad Nacional
de Rosario - Argentina), Magíster
en Seguridad y Salud Ocupacional
(Universidad Internacional SEK),
MBA con mención en Gerencia de la Calidad y
Productividad (Ponticia Universidad Católica del
Ecuador), Ingeniero Mecánico (Escuela Politécnica
del Ejército), Docente (Escuela de Ingeniería
Automotriz – Universidad Internacional del Ecuador),
Ingeniero de Procesos de Ensamblaje General
(AYMESA S.A.), Vicecampeón Nacional de Rally
Categoría 0-1500 cc. (Aneta 2009).
REGISTRO DE LA PUBLICACIÓN
Fecha recepción 15 octubre 2021
Fecha aceptación 25 noviembre 2021
DEL CASTILLO, SUÁREZ /
EFECTO DE AVANCE AL ENCENDIDO Y TIEMPO DE INYECCIÓN DE UN SWAP DE MOTOR SERIE B A 2800 MSNM
UTILIZANDO ELECTRÓNICA PROGRAMABLE PARA MEJORAR LA POTENCIA.
Artículo Cientíco / Scientic Paper
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Revista Energía Mecánica Innovación y Futuro, X Edición 2021, No. 8 (09)
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 10 Vol. 1 / 2021 (9) ISSN 1390 - 7395 (8/9)
Abstract
In the last decade it has become evident the need to
include technology in the area of medicine, given the
extensive advantages of including electronic systems
in dierent areas of health. In this way expanding and
complementing the capabilities of medical personnel,
because engineering is eectively integrated with
mechanical designs that allow improving the
processes of rehabilitation or physiotherapy of older
adults. That is why in the present work a mechanical
structure was developed that together with an
electronic system allows monitoring the progress of
the rehabilitation of people suering from tendinitis
or in the prevention of this disease. Since the structure
is aimed at adults, the resistance of the mechanical
structure and creep according to Von Mises, together
with the safety factor to determine the estimated useful
life of the prototype is analyzed using tools such as
ANSIS and Solid Works.
Keywords: Rehabilitation, Tendinitis, Structural
analysis.
ANÁLISIS MECÁNICO ESTRUCTURAL DE PROTOTIPO PARA
REHABILITACIÓN EN ADULTOS MAYORES CON PROBLEMAS DE
TENDINITIS.
STRUCTURAL MECHANICAL ANALYSIS OF PROTOTYPE FOR
REHABILITATION IN OLDER ADULTS WITH TENDINITIS PROBLEMS
1
Luis V. Gallo,
2
Willam W. Tumbaco,
3
Luis. E. Toapaxi,
4
Marco A. Pilatasig,
5
Pablo O. Mena
1
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE,
e – mail:
1
vgallo@espe.edu.ec,
2
wwtumbaco@espe.edu.ec,
3
letoapaxi@espe.edu.ec,
4
mapilatasig@espe.edu.ec,
5
pomena@espe.edu.ec
GALLO, TUMBACO, TOAPAXI, PILATASIG, MENA /
ANÁLISIS MECÁNICO ESTRUCTURAL DE PROTOTIPO PARA REHABILITACIÓN EN
ADULTOS MAYORES CON PROBLEMAS DE TENDINITIS.
Resumen
En la última década se ha evidenciado la necesidad de
incluir la tecnología en el área de la medicina, dado
por las extensas ventajas que aporta incluir sistemas
electrónicos en diferentes áreas de la salud. De esta
manera ampliando y complementando las capacidades
de personal médico, debido a que la ingeniería se
integra de forma efectiva conjuntamente con diseños
mecánicos que permiten mejorar los procesos de
rehabilitación o sioterapia de adultos mayores.
Es por ello que en el presente trabajo se desarrolló
una estructura mecánica que conjuntamente con un
sistema electrónico permite monitorear el avance de la
rehabilitación de personas que padezcan de tendinitis
o en la prevención de dicha enfermedad. Dado que la
estructura está dirigida a personas adultas se analiza la
resistencia de la estructura mecánica y uencia según
Von Mises, conjuntamente con el factor de seguridad
para determinar la vida útil estimada del prototipo
utilizando herramientas como ANSIS y Solid Works.
Palabras Clave: Rehabilitación, Tendinitis, Análisis
mecánico.
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ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 10 Vol. 1 / 2021 (9) ISSN 1390 - 7395 (8/9)
1. Introducción
En los últimos años, gran parte de la investigación
ha sido enfocada en temas de salud entre los cuales
está la rehabilitación que, según la OMS, abarca un
conjunto de intervenciones necesarias cuando una
persona presenta limitaciones en su vida cotidiana
debido a varios factores como el envejecimiento. Todo
este tema del envejecimiento viene de la mano con
diferentes problemas a nivel de rodillas por muchas
causas como el sedentarismo, la dedicación laboral,
sobrepeso, desencadenando diferentes afectaciones
en los pacientes como la tendinitis conocida como
la inamación de un tendón mismo que entre sus
síntomas se encuentra la sensibilidad y dolor fuera
de las articulaciones (normalmente alrededor de los
hombros y rodillas), que en este caso un tratamiento
recurrente y de gran ayuda es la rehabilitación física
[1, 2], por lo cual diferentes estudios se enfocan en
el desarrollo de nuevas técnicas y prototipos para el
desarrollo ecaz de las diferentes rehabilitaciones [3,
4] y también en el diseño de estructuras complejas
que interactúan directamente con el paciente
disminuyendo las tareas de los médicos profesionales
en rehabilitación física [5].
Con el desarrollo y con el objetivo de mejorar la
calidad de vida, y de limitar las horas de actividades
de rehabilitación física, cognitiva u otras involucradas,
se han implementado varias investigaciones
relacionadas con el reconocimiento automático de
la actividad humana, prestando mucha atención al
campo de la tecnología, como entornos de vigilancia,
entornos de entretenimiento y sistemas de salud
enfocados también en problemas como la tendinitis
[6, 7, 8], es por ello que en las últimas décadas se
ha dado una gran importancia al estudio en salud y
a las investigaciones efectuadas en rehabilitaciones
cualesquiera que sean, orientadas a la tecnología y
a la experiencia interactiva de multimedia inteligente
que pueda realizar el intercambio de información y el
amplio procesamiento inteligente interactivo [9, 10].
Dentro de otras técnicas para rehabilitación y
seguimiento de tendinitis están: la electromiografía
(EMG) [11] un sistema de bajo coste que benecia a
los grupos de investigación con poco nanciamiento,
electroestimulación transcutánea (TENS),
ultrasonidos terapéutica (US) y crioterapia [12, 13].
La tendinitis también afecta a las manos, las cuales
son esenciales en muchas actividades diarias, en
[14] se presenta un guante que permite recuperar la
función motora de la mano mediante el monitoreo de
ejercicios físicos. Incluso con los diferentes avances
tecnológicos la IA (inteligencia articial) participa
en la investigación del diagnóstico de enfermedades
logrando un 84% de precisión, [15, 16].
En este contexto el artículo tiene como nalidad
diseñar un módulo que pueda ser utilizado por las
personas adultas mayores del centro "Hogar de
Adultos Mayores Saquisilí" para tratar afecciones
en sus extremidades inferiores como por ejemplo
tendinitis y artrosis.
2. Diseño Mecánico
El diseño mecánico ha tenido un papel importante
para el desarrollo adecuado de componentes
estructurales, comprendido de muchos factores como
los materiales con que se construirán, los elementos,
geometrías, dimensiones, tratamientos termoquímicos
y superciales, métodos de |manufactura, costos, etc.
Con los cálculos de la ingeniería mecánica se puede
predecir con cierta exactitud los comportamientos
de las estructuras y máquinas que deseamos diseñar,
para las estructuras sometidas a cargas simples como
es el caso, es de importancia considerar primeramente
las propiedades de los materiales, particularmente
las propiedades de resistencia mecánica, fragilidad
y ductilidad, a su vez es de importancia el estudio
de los conceptos de esfuerzo de diseño (o esfuerzo
admisible) y factor de seguridad, la determinación
de los puntos críticos de cada elemento o de toda la
estructura que se puede observar en la Fig. 1, la cual
está destinada a permitir la rehabilitación de miembros
inferiores completando las diferentes etapas entre las
que se encuentran: escalones, pasillo y rampa.
Figura 1. Estructura para rehabilitación de miembros inferiores
En el diseño de cualquier elemento de una estructura
o máquina es necesario conocer las diferentes
propiedades de los materiales como la resistencia a
la tracción, compresión, torsión, dureza, resistencias
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ADULTOS MAYORES CON PROBLEMAS DE TENDINITIS.
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Mises del módulo de rehabilitación debido al criterio
de fallo elástico (3).
Considerando, como el esfuerzo normal en el
plano X, Y respectivamente y como el esfuerzo
normal en el plano XY con un valor de cero.
Para el diseño se establece que los esfuerzos que
están directamente a lo largo del plano X, son los
esfuerzos máximos exionante
Puntos críticos
Flexión
En exión el esfuerzo está dado por (3):
El punto crítico será donde al módulo de
rehabilitación él sea máxima, lo cual tiende a ocurrir
en puntos situados en secciones de gran momento
ector, para este caso en las uniones de las estructuras
en las que se tiene: el momento ector M ; la magnitud
máxima del Centroide C y el momento de inercia del
perl estructural I.
Canales American Standard (perles en C).
Por ser el más utilizado y por cuestión de precios
se opta por un perl estructural acero ASTM A36,
tipo en G (ver Fig. 2.), para el previo diseño, ya que
poseen el alma plana y los dos patines producen un
perl generalmente más rígido que los ángulos que
resisten más la exión y la torsión bajo carga.
Figura 2. Perl estructural tipo G.
de uencia, tenacidad, ductilidad y fragilidad,
considerando las unidades que se detalla en la tabla 1.
Tabla 1. Unidades utilizadas en el análisis
3. Información del prototipo
Para el diseño y la construcción del módulo de
rehabilitación se realiza el estudio con el acero
estructural A36 ya que este presenta altos valores de
resistividad, como se indica en la siguiente Tabla 2.
Tabla 2. Propiedades mecánicas del acero ASTM A36
Para los cálculo de prueba se utiliza (1) que describe
el momento ector, donde F representa la máxima
fuerza aplicada y x longitud del perl estructural con
fuerza cortante máxima.
Esfuerzo de diseño
El diseño de elementos con base en su resistencia
consiste en evitar que exista uencia en los materiales
entonces, para ello se utiliza la teoría de Esfuerzo de
Von Misses, donde establece que existirá uencia si se
cumple la siguiente desigualdad.
Donde representa el esfuerzo de Von Mises
por simulación y la resistencia a la uencia del
material. Utilizado en el cálculo del método de Von
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En el cual se cuenta con los siguientes datos:
4
35.25
x
Ic m
=
=
=
=
=
Centroide
Para el cálculo de este parámetro se utiliza (4) tanto
para la coordenada X como para la coordenada Y.
Figura 3. Centroide
Tabla 3. Cálculos para variables del centroide
Factor de seguridad y ecuación de diseño
Los valores de resistencia de los materiales suelen
tener cierto grado de imprecisión, los métodos de
cálculo normalmente asumen condiciones extremas en
la práctica, los valores de las cargas son normalmente
imprecisos, e incluso pueden existir cargas inesperadas
en todo el sistema estructural.
Para eliminar la desigualdad entre la resistencia, el
esfuerzo de diseño y denir qué tan pequeño debe ser
este último comparado con la resistencia, se utiliza el
concepto de factor de seguridad, también conocido
como coeciente de cálculo o factor de incertidumbre.
Este factor se dene en (5):
4. Resultados del análisis
Al considerar una fuerza 1500 N con valores del
peso promedio de adultos mayores tenemos como
resultado un momento de 2250 Nm, teniendo que
cuenta que el análisis de momento ector se realiza
en el pasillo de la estructura (ver Fig. 4), debido a que
es donde se presenta la mayor fuerza axial y fuerza
cortante, observando un desplazamiento en dirección
Y, de 0.0064mm, el cual se considera como un valor
mínimo y despreciable.
Figura 4. Análisis del momento ector.
Según la desigualdad del Esfuerzo Von Misses para
vericar si existirá uencia que establece (2) se tiene
el valor obtenido por simulación:
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Figura 5. Análisis del momento ector con el estrés equivalente.
El esfuerzo de diseño es el máximo esfuerzo que
debe soportar un elemento para que efectúe su trabajo
con seguridad, es decir, el de evitar su falla, al no
cumplirse la desigualdad de Von Misses se verica
que no existirá uencia y soportará la carga de 1500N
en la estructura, si se diera el caso que existe fallas
lo recomendable es manipular las dimensiones, las
geometrías, los materiales, los tratamientos térmicos,
entre otros factores de la estructura, y cumplir con la
desigualdad de Von Misses.
Para evitar la falla la carga máxima aplicada debe
ser menor que la carga que produce la falla, entonces,
de (5) se inere que N debe ser mayor que 1 para
evitar dicha falla.
248
94,34
2,63
MPa
n
Mpa
n
=
=
Figura 6. Factor de seguridad.
Según simulación el resultado es 15 valor
sobredimensionado, pero cumple con lo calculado y
estipulado por la relación de Von Misses que debe de
ser mayor que 1.
5. Conclusiones
El diseño mecánico estructural, nace a partir del
tipo de perl y material que se ha de utilizar, para este
caso el uso de un perl tipo G de acero AISI A36, es
un perl ampliamente utilizado para la construcción
de estructuras de este tipo por sus grandes valores
de propiedades mecánicas que presenta y por ser
un material que al ser sometido a cargas máximas
axiales y análisis estáticos garantizan el soporte de las
diferentes variaciones de carga inmersas durante su
usabilidad, adicional a ello el cálculo de la ingeniería
mecánica y el uso de la teoría de Von Misses facilitan
la comprobación de estas aseveraciones dando como
resultado que la estructura al ser sometida a 1500N
de carga no cede, es decir no da paso a que exista
uencia en los puntos más críticos, el análisis de
falla de acuerdo a la misma teoría de Von Misses
debe cumplir con valores mayores que uno, con
cálculos y simulaciones el factor de seguridad que
evita este tipo de fallas da como resultado un valor
sobredimensionados, deduciendo así que la estructura
diseñada para rehabilitación, soportara y garantizara
la estabilidad y durabilidad durante su uso.
6. Referencias
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Training on Physical and Psychological
Parameters in Individuals with Patella Tendon
Myopathy: A Systematic Review and Meta-
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Stair Climbing as an Intervention for Disease
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J. Environ. Res. Public Health 2021, 18, 603.
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Črepinšek, M. A Case Study on the Design
and Implementation of a Platform for Hand
Rehabilitation. Appl. Sci. 2021, 11, 389. https://
doi.org/10.3390/app11010389
[4] Moreno Naya, D.; Vazquez-Araujo, F.J.; Castro,
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[16] Ren, Y., Wu, Y. N., Yang, C. Y., Xu, T., Harvey, R.
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ankle rehabilitation robotic device for in-bed
acute stroke rehabilitation. IEEE Transactions on
Neural Systems and Rehabilitation Engineering,
25(6), 589-596.
7. Biografía
1
Vinicio Gallo. – Estudiante de
Electrónica e Instrumentación
(Universidad de las Fuerzas Armadas
ESPE)
2
Luis Toapaxi, estudiante de la carrera
de Electromecánica (Universidad de
las Fuerzas Armadas ESPE)
3
Willam Tumbaco, estudiante de la
carrera de Electrónica e
Instrumentación (Universidad de las
Fuerzas Armadas ESPE)
4
Marco Pilatasig, Ingeniero en
Electrónica e Instrumentación
(Universidad de las Fuerzas
Armadas ESPE),
5
Pablo Mena. – Ingeniero en Eléctrico
(Universidad de las Fuerzas Armadas
ESPE),
Autor para correspondencia:
lvgallo@espe.edu.ec
REGISTRO DE LA PUBLICACIÓN
Fecha recepción 11 abril 2021
Fecha aceptación 28 mayo 2021
[6] R. K. Shian, U. T. Hoang Le, J. L. Yong, N. H.
Jenq, H. Y. Jang y H. C. Kyoung, «A Review
on Video-Based Human Activity Recognition,»
Computers, 2013.
[7] S. Sanchez, D. Monekosso, P. Remagnino, D.
Vallejo y C. González, «Automatic recognition of
physical exercises performed by stroke survivors
to improve remote rehabilitation» IEEE, 2019.
[8] O. Pastolache, «Remote sensing technologies for
physiotherapy assessment,» IEEE, 2017.
[9] Q. Xu, X. Xiong, G.-L. Feng, M. Jing Guo y L.
Wan, «Design of Intelligent Campus Multimedia
Interactive System Based on Internet of Things
Technology» IEEE, 2019.
[10] R. Aranha, L. Araujo, C. Monteiro, T. Da Silva
y F. Nunes, «MoVEROce: Virtual Reality for
Upper Limbs Rehabilitation,» IEEE, 2016.
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Macedo, F. S., Da Rocha, A. F., & Perez, F. S.
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treatment of pain due to shoulder tendinopathies.
In 2014 Pan American Health Care Exchanges
(PAHCE) (pp. 1-5). IEEE.
[13] Choi, S., Lee, G. J., Lee, S., Cheong, Y.,
Kwon, E., Cho, H., ... & Park, H. K. (2011,
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therapy on nanostructural and property responses
of the Achilles tendinitis rat model. In 2011
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for force and motion sensing. In 2016 IEEE
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Characteristics for Classication of the
Ultrasonic Images of Roator Cu Disease. In
2008 International Conference on BioMedical
Engineering and Informatics (Vol. 2, pp. 258-
262). IEEE.
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Revista Energía Mecánica Innovación y Futuro, X Edición 2021, No. 9 (09)
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Abstract
Radioactivity is the process of spontaneous decay and
transformation of volatile atomic nuclei, followed by
the emission of radiation. George Gamow was able
to use quantum mechanics to explain the radioactive
phenomenon of alpha decay through a process called
tunneling. The α-particles are structurally equivalent
to the nucleus of a helium atom and consist of two
protons and two neutrons. Basically the argument is
that an alpha particle does not need enough energy
to overcome the potential barrier of the nucleus, it
tunnels through it. This article reviews the concepts
and unravels the calculations that Gamow used to
explain his theory of decay.
Keywords: Alpha decay, radioactivity, quantum
tunneling, quantum mechanics.
DECAIMIENTO ALFA: UNA REVISIÓN A LA TEORÍA DE GEORGE GAMOW
ALPHA DECAY: A REVIEW OF GEORGE GAMOW’S THEORY
1
José Guillermo Trujillo Jaramillo,
2
Edison Ramiro Acurio Armas,
3
José Ignacio Trujillo Galarza
1
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE,
2
Escuela Técnica de la Fuerza Aérea ETFA,
3
Universidad de Investigación de Tecnología Experimental Yachay Tech.
e – mail:
1
jgtrujillo1@espe.edu.ec ,
2
eracurio@espe.edu.ec ,
1
jose.trujillo@yachaytech.edu.ec
TRUJILLO J., ACURIO, TRUJILLO G. /
DECAIMIENTO ALFA: UNA REVISIÓN A LA TEORÍA DE GEORGE GAMOW.
Resumen
La radiactividad es el proceso de desintegración
y transformación espontánea de núcleos atómicos
volátiles, seguido de la emisión de radiación. George
Gamow fue capaz de utilizar la mecánica cuántica
para explicar el fenómeno radiactivo del decaimiento
alfa a través de un proceso llamado tunelización.
Las partículas α son estructuralmente equivalentes
al núcleo de un átomo de Helio y constan de dos
protones y dos neutrones. Básicamente el argumento
es que una partícula alfa no necesita tener suciente
energía para superar la barrera potencial del núcleo,
simplemente tunelea a través de él. En este artículo
se hace una revisión a los conceptos y se desentrañan
los cálculos que utilizó Gamow para poder explicar su
teoría de decaimiento.
Palabras Clave: Decaimiento alfa, radiactividad,
tunelamiento cuántico, mecánica cuántica.
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1. Introducción
1.1. Radiactividad
La radiactividad es el proceso de desintegración
y transformación espontánea de núcleos atómicos
volátiles, seguido de la emisión de radiación [4];
también se le conoce como decaimiento nuclear. La
radiactividad ha evolucionado mucho desde que fue
descubierta por Henri Becquerel en 1896. Becquerel
notó que las sales de uranio producían una radiación
invisible que atravesaba metales y cuerpos opacos a
la luz, así como vidrio y otras sustancias transparentes
[4].
A principios del siglo XX, Marie y Pierre Curie
lideraron el uso de Radio (Ra) para el tratamiento del
cáncer [4]. En 1931, Ernest Lawrence construyó el
primer ciclotrón funcional capaz de acelerar protones,
deuterones o iones de helio (partículas α) a energías
capaces de penetrar núcleos atómicos y producir,
así, numerosos isótopos estables y radiactivos [4].
Ernest Rutherford y Paul Villard, entre 1899 y 1901,
clasicaron la radiación según su poder de penetración
en tres tipos: alfa (α), beta (β) y gamma (γ) [9];
siendo alfa y gamma la menos y más penetrante,
respectivamente. Al principio, se desconocía la
naturaleza de estas radiaciones, pero, después de
todo, serían descritas. En 1900, Becquerel demostró
que las partículas β son de hecho electrones [9]. En
1907, Rutherford y Thomas Royds concluyeron que
las partículas α eran núcleos de helio doblemente
ionizados, y William Henry Bragged demostró que
los rayos gamma eran radiación electromagnética [9].
El estudio de la radiactividad, es decir, la radiación
nuclear y las fuentes de radiactividad, es muy
importante debido a sus abundantes aplicaciones
pacícas en los campos de la medicina, la biología,
la agricultura, la industria y la generación de energía
eléctrica que son indispensables en nuestra vida
cotidiana [4].
1.2. Modelo Atómico de Joseph John
Thomson (Modelo del Pudín de Ciruelas)
En la primera década del siglo XX, se consideraba
que el átomo era un volumen esférico uniforme de
carga positiva (pudín) con electrones incrustados
(pasas) [8]. Esta descripción del átomo es el
modelo atómico propuesto por J.J. Thomson. Dicha
percepción del átomo se mantuvo hasta 1909, antes
del famoso experimento de la lámina de oro realizado
por Johannes “Hans” Geiger y Ernest Marsden bajo
la conducción de Rutherford. El experimento de la
lámina de oro consistió en disparar partículas α, es
decir, núcleos de helio obtenidos a partir de bromuro
de radio, hacia una delgada pieza de lámina de oro [6].
Los resultados observados mostraron una desviación
de las partículas, por esta razón, Rutherford concluyó
que la mayor parte de la masa del átomo y toda su
carga positiva se concentraba en una región pequeña
y compacta llamada núcleo cuyo radio era menor a
10-14 m [6].
1.3. El Misterio del Decaimiento Alfa
¿Qué es el decaimiento o desintegración alfa? Puede
denirse como el proceso de desintegración nuclear
a través del cual el núcleo padre emite una partícula
alfa [4]. Las partículas alfa son estructuralmente
equivalentes al núcleo de un átomo de helio y constan
de dos protones y dos neutrones [4], se emiten como
productos de desintegración de muchos radionúclidos
que poseen un núcleo grande, predominantemente de
número atómico mayor que 81 [4]. La ecuación para
la desintegración alfa es [5]:
(1)
Por ejemplo, el radionúclido americio-241 se
desintegra por emisión de partículas α para producir
el nucleído hijo neptunio-237 de acuerdo con la
siguiente ecuación [4]:
Una vez que se entendió mejor la estructura del
átomo, surgió una nueva pregunta: ¿Cómo se emiten
las partículas α de las sustancias radiactivas? La idea
de Rutherford era separar el potencial en la vecindad
del núcleo en dos partes:
• Dentro del núcleo (distancias <10-14 m), una
parte no Coulombica actúa como fuerza de
unión atractiva.
• Fuera del núcleo, una parte Coulombica actúa
como fuerza electrostática repulsiva
Estos dos potenciales deben coincidir en el borde
del núcleo (r0). Para probar su suposición, Rutherford
realizó experimentos de dispersión con partículas α a
partir de torio radiactivo C (hoy en día conocido como
polonio-212). De esta manera conrmó la existencia
de la parte Coulombica en uranio hasta una altura
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Figura 1. Esquema de Gamow para partículas α con energía E,
incidentes desde la parte derecha, sobre una barrera cuadrada de
altura U0 y ancho l. Potencial U(q) .Tomado de [2].
Es evidente que solo existen “scattering states” en
este sistema. Bajo este contexto, queremos encontrar
la solución de la Ecuación de Schrödinger para una
partícula, con energía 0 < E <
, proveniente de la
derecha. La solución será diferente para cada región
del potencial.
• Región I: q < 0, la solución está dada por:
(3)
• Región II: 0 < q < l, la solución es:
(4)
• Región III: l < q, la solución es:
Aplicando condiciones de frontera para
y en q=0 y q=l, obtenemos las siguientes
ecuaciones:
(6)
(7)
(8)
(9)
Considerando a G como dato inicial (amplitud
de la onda incidente), tenemos un sistema de cuatro
ecuaciones con cuatro incógnitas (B, C, D, F).
Resolviendo para B, se obtiene el siguiente
resultado:
de al menos 8,47 MeV [7]. El hecho desconcertante
era que se sabía que el uranio-238 emitía partículas
α de menos de la mitad de la barrera potencial
mencionada, exactamente 4,2 MeV. Bajo el marco
clásico, es imposible que estas partículas escapen del
núcleo. ¿Qué está pasando?, se inventaron muchas
teorías tortuosas para intentar explicar este fenómeno;
por ejemplo, el propio Rutherford postuló la idea
de que quizá una partícula alfa en el interior del
núcleo combinada con dos electrones se convertirá
en un objeto neutro y, por lo tanto, podría escapar a
través del potencial [7]. Sin embargo, es fácil ver las
falencias de tal propuesta.
George Gamow entró en la historia cuando se
encontró con el artículo de Rutherford de 1927
titulado "Estructura del átomo radiactivo y el origen
de los rayos α", en el que se discutía el misterio del
decaimiento alfa. Gamow hizo uso de la mecánica
cuántica para poder explicar que la probabilidad de
que una partícula pase de una región, ambas separadas
por una barrera de potencial nitamente alta, es
diferente de cero [7]. La esencia de la solución de
Gamow era que una partícula alfa no necesitaba tener
suciente energía para superar la barrera Coulombica
del núcleo, simplemente tunela a través de él.
La intervención de Gamow fue la primera vez que
la mecánica cuántica se aplicaba a la física nuclear
utilizando el importante concepto de tunelización
[7]. El tunelamiento ocurre en todos los sistemas
cuánticos, de hecho, es crucial para la nucleosíntesis
en las estrellas, y también puede haber jugado un
papel esencial en la evolución del universo temprano
[7]. Desde su comienzo, relatado aquí, la tunelación
cuántica ha sido un tema de tendencia, con muchas
aplicaciones hasta el día de hoy.
2. Cálculos Matemáticos
2.1. La Barrera Rectangular: Un Enfoque
Simple
Para comprender el comportamiento general del
sistema, es importante partir del caso simple de la
barrera rectangular (Ver gura 1).
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(10)
Vamos a denir el coeciente de transmisión de la
siguiente manera:
(11)
donde J
B
es la densidad de corriente transmitida
y J
G
la densidad de corriente incidente. Usando una
fórmula más rápida para el cálculo de la densidad de
corriente, denida en una dimensión como (12):
(12 )
se obtiene para cada región:
(13)
(14)
(15)
Observe que debido a que J
B
y J
G
tienen el mismo
factor de proporcionalidad , que de hecho es la
velocidad de partícula clásica, se podría haber evitado
calcular las corrientes de probabilidad al observar la
simetría del potencial en las regiones 1 y 3 y expresar
el coeciente de transmisión simplemente como la
siguiente relación:
(16
)
Finalmente; se obtiene una expresión exacta para el
coeciente de transmisión, reemplazando (10), k y :
Cuando la barrera de potencial es demasiada alta
y amplia, esta probabilidad de transmisión depende
esencialmente del factor exponencial, es decir:
(
18
)
( )
2.2. Renando el Modelo
Debido a que no se está en el marco de la mecánica
cuántica relativista, la probabilidad debe conservarse
en todas las regiones. Sin embargo; en la desintegración
de partículas, un número constante de partículas y, por
lo tanto, la conservación de la probabilidad falla. El
enunciado de conservación de la probabilidad está
proporcionado por la ecuación mecánica-cuántica de
continuidad:
(
19
)
Donde, P(x,t) es la densidad de probabilidad ( ).
J(x,t) dene la corriente de probabilidad, que es la tasa
a la que la probabilidad está "uyendo" dentro o fuera
de la región en cuestión, y está dada por:
El modelo anterior no era completamente
realista, así que se hacen algunas correcciones. La
siguiente propuesta de Gamow para un modelo de
desintegración alfa fueron dos barreras potenciales
simétricas (Ver gura 2).
Figura 2. Siguiente modelo de Gamow que consta de dos barreras
potenciales rectangulares y simétricas. Tomado de [2].
Considerando soluciones para representar
partículas que salen de la región central, se deduce:
• Región I’: q < -(q0+l), la solución está dada por:
(21)
• Región I: q > q0+l, la solución es:
(22)
donde;
y
es el cambio de fase.
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Sin embargo; las soluciones estacionarias
(independientes del tiempo), para la ecuación de
Schrödinger, no pueden representar un ujo de
partículas que salen de la zona central del potencial
porque P(q,t) es, de hecho, independiente del tiempo,
es decir,
. De esta manera, la
ecuación de continuidad falla para las funciones de
onda elegidas en las regiones I’ y I, es decir, existe la
probabilidad de encontrar partículas fuera de la zona
central entre las dos barreras.
*Energías complejas
Ahora, ¿qué pasaría si se considera a la energía
como un número complejo?, es decir,
. Con y
reales. De hecho, puede
verse que la dependencia temporal de la probabilidad
no será nula:
(
23
)
donde; es el inverso de la “vida útil”,
y
es la “vida media”.
El análisis anterior (*) proporciona una forma
de abordar el problema de las soluciones anteriores
(21) y (22). El siguiente paso es asumir vibraciones
amortiguadas desde la fuente de la onda (parte central)
y también considerar soluciones complejas para las
energías:
donde; es la energía habitual de las partículas
alfa y es la disminución amortiguada (constante de
decaimiento).
De (23) y (24):
(
25
)
(26)
La ecuación de continuidad, entonces, dicta:
(27)
De la cual se obtiene:
(28)
donde; β es una constante de primer orden.
Se ha derivado una expresión para la constante de
desintegración, sin embargo, γ sigue dependiendo en
gran medida del tamaño del pozo de potencial (q0 y l),
así como de la altura de la barrera de potencial .
2.3. La Aproximación WKB
El método WKB (Wentzel, Kramers, Brillouin)
es una técnica que permite obtener soluciones
aproximadas a la ecuación de Schrödinger
independiente del tiempo (TISE, abreviación en
inglés) en una dimensión, cuando V(x) no es constante
pero varía lentamente en comparación con
o
y
es particularmente útil para calcular las tasas de
tunelización a través de barreras potenciales [3].
Figura 3. Dispersión de una barrera rectangular con una cima
irregular. Tomado de [3].
Considerando una barrera potencial entre x=0
y q=a con forma indeterminada (Ver gura 3) y
estableciendo un escenario de tunelización que
corresponde a la región no clásica (E<V), la siguiente
solución es propuesta:
(29)
(
24
)
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Como se dijo, una partícula alfa está compuesta
por dos protones y dos neutrones de ciertos núcleos
radiactivos. Por lo tanto, estas partículas α tienen
una carga positiva 2e siendo repelidas, cuando han
alcanzado una cierta distancia requerida para escapar
de la fuerza de unión nuclear, por el núcleo restante
cuya carga es Ze. La energía potencial repulsiva de
Coulomb entre una partícula alfa emitida y el núcleo
hijo está dada por:
(33)
Entonces, la energía que posee dicha partícula
emitida es:
(34)
donde; es la distancia del punto de inexión, es
decir, la distancia desde el centro del núcleo hasta
donde α se convierte en una partícula libre (Ver Fig.
4b).
NOTA: Aquí es la carga del
protón, ¡no confundir con la función exponencial!
**La Ecuación de Einstein
En cuestión de cálculos, la energía de la partícula α
emitida puede ser deducida a partir de la fórmula de
Einstein ( ) de la siguiente manera:
(35)
donde;
, ,
son las masas del núcleo padre,
núcleo hijo, y la partícula alfa, respectivamente.
Usando la ecuación (32), obtenida de la
aproximación WKB, es posible calcular la constante
de desintegración.
(36)
Usando la siguiente sustitución: , se
resuelve la integral anterior.
donde;
es la aproximación WKB para
en la región de la barrera:
(30)
y p(x), que es imaginario, es el momento clásico de
una partícula de energía E en un potencial V(x).
(31)
Si la probabilidad de tunelización es pequeña,
es decir, la barrera es alta y/o ancha, entonces el
coeciente C de tiende a cero. De este modo;
las amplitudes relativas de las ondas incidentes y
transmitidas son descritas, principalmente, por la
disminución total del término exponencial en la
región no-clásica, expresado en lenguaje matemático
se tiene:
(32
)
¿Puedes notar similitudes entre las ecuaciones (32)
y (18)? En efecto, durante la primera etapa se utilizó
implícitamente la aproximación WKB en el cálculo
del coeciente de transmisión.
2.4. Juntando las Piezas
Pasando al caso de un núcleo real, la ecuación de
onda correspondiente no puede ser resuelta porque el
potencial exacto en sus alrededores es desconocido.
Lo que hizo Gamow fue aproximar la energía
potencial en el núcleo (Ver gura 4a) por un pozo
cuadrado nito de ancho
(que representa la fuerza
de unión nuclear), donde es el radio del núcleo,
unido en cada extremo a una parte Coulombica de
repulsión (Ver gura 4b).
Figura 4. a) Representación del potencial alrededor del núcleo. Tomado
de [2]. b) Modelo de Gamow para la energía potencial de una partícula
alfa en el núcleo radiactivo. Tomado de [3].
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(37)
Habitualmente, el radio del núcleo es mucho menor
que la distancia hacia el punto de inexión, es decir,
. Entonces, se puede utilizar la aproximación
de ángulo pequeño ( ):
(38)
Reemplazando de la ecuación (34):
(39)
Por lo tanto, la probabilidad de tunelización para un
potencial nuclear será:
(40)
donde
(41
)
y
(42
)
*** Tamaño del Radio
Para el cálculo de , se considera que la densidad
dentro del núcleo es constante, por lo tanto, es
proporcional a la masa atómica (A). Por otro lado, el
tamaño típico de un núcleo es un femtómetro o fermi
(fm) que es 10-15m [3]. Así, empíricamente se tiene:
(43)
Una vez que la probabilidad de tunelización
(ecuación 40) y, por lo tanto, la constante de
desintegración γ han sido calculadas, es necesario
encontrar una expresión para la “vida útil” de un
átomo radiactivo mediante un enfoque semiclásico.
Supongamos que una partícula alfa se mueve dentro
del núcleo con una velocidad media , el tiempo medio
entre colisiones será , por lo que la frecuencia de
colisiones es . Sabiendo que la probabilidad de
escape viene dada por
, entonces la probabilidad
de emisión por unidad de tiempo es , y por
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lo tanto, la vida útil del núcleo padre es:
(44)
**** Velocidad de las Partículas Dentro del Núcleo
Desafortunadamente, la velocidad es desconocida,
pero esto no importa mucho. Dado que el factor
exponencial varía en veinticinco órdenes de magnitud
a medida que pasamos de un núcleo radiactivo a
otro, en comparación con esto, la variación en
es insignicante [3]. Sin embargo, ésta se la puede
estimar usando Tal enfoque ignora la
parte negativa de la energía potencial dentro del
núcleo, subestimando así υ, pero esto es lo mejor que
se puede hacer por ahora.
2.5. La Ley de Geiger-Nuttall
La ley de Geiger-Nuttall es una relación empírica,
documentada por primera vez por Hans Geiger y
John Mitchell Nuttall en 1911, entre la constante de
desintegración de los emisores alfa y la energía de las
partículas emitidas. Esta ley tiene la siguiente forma:
(45)
Tabla 1. Valores experimentales de Eα y t1 / 2 para algún núcleo. Datos
cortesía de Leon van Dommelen [1].
Núcleo padre Z
[MeV]
experimental
84 6,89 0,16 segundos
86 5,59 3,83 días
88 4,88 1622 años
90 4,05
1,41
10
10
años
Usando la tabla 1, es posible encontrar las constantes
a y b a través del montaje. De hecho, Geiger-Nuttall
se convierte en:
(46)
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Figura 5. Ley de Geiger-Nuttall.
3. Resultados
3.1. “Vida Útil” Del Uranio 238
tiene la siguiente cadena de decaimiento:
(47)
de la cual se obtiene:
• Para uranio:
, ,
• Para torio:
, ,
Usando la ecuación (43), el radio del núcleo de
uranio será:
(48)
La fórmula de Einstein (35) predice que la energía
de las partículas alfa emitidas es:
Por otro lado; la velocidad a la que la partícula α es
liberada, debido a (****), será:
(50)
(49)
De la ecuación (39), la constante de decaimiento es:
(51
)
Finalmente; usando los resultados anteriores y la
ecuación (44), la “vida útil” del uranio-238 es:
(52
)
(53
)
3.2. “Vida Útil” Del Polonio 212
tiene la siguiente cadena de decaimiento:
(54)
de la cual se obtiene:
• Para polonio:
, ,
• Para plomo:
, ,
Siguiendo la misma metodología que fue usada
para el uranio, se puedo obtener:
(55)
(56)
(57)
(58)
De estos resultados se obtiene la “vida útil” para el
polonio-212:
(59)
La fórmula de Einstein (35) predice que la energía
de las partículas alfa emitidas es:
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(49)
Por otro lado; la velocidad a la que la partícula α es
liberada, debido a (****), será:
(50)
De la ecuación (39), la constante de decaimiento es:
(51
)
Finalmente; usando los resultados anteriores y la
ecuación (44), la “vida útil” del uranio-238 es:
(52
)
Figura 6. Representación del tunelamiento para Uranio-238.
Figura 7. Ley de Geiger-Nuttall para Uranio-238.
4. Conclusiones
Se puede apreciar que la “vida útil” del uranio-232
y polonio-212 diferencian demasiado la una de la
otra. Por lo tanto, existe una sensibilidad extrema a las
masas nucleares: un pequeño cambio en produce
enormes cambios en .
Comparando la “vida media” del uranio 238
(ecuación 53) con el valor obtenido con la ley de
Geiger-Nuttall (Ver gura 7) es posible apreciar
diferencias en estos valores, sin embargo, las
predicciones reproducen con éxito la tremenda gama
de vidas medias y no se desvían mucho de los valores
correctos en comparación con ese rango tremendo.
Por lo tanto, es difícil imaginar otra teoría diferente
al tunelamiento cuántico que podría hacer lo mismo.
5. Referencias
[1] Leon van Dommelen. Quantum Mechanics for
Engineers, Version 5.55 alpha. 2012.
[2] G. Gamow. Quantum Theory of the Atomic
Nucleus. 1928.
[3] David J. Griths. Introduction to Quantum
Mechanics (2nd Edition). 2nd. Pearson Prentice
Hall. isbn: 0131118927.
[4] Michael F L’Annunziata. Radioactivity:
introduction and history, from the quantum to
quarks; 2nd ed. Amsterdam: Elsevier, 2016. url:
https : / / cds . cern . ch / record / 2210635.
[5] W.E. Lee M.I. Ojovan. An Introduction to Nuclear
Waste Immobilisation; 2nd ed. Elsevier, 2014.
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DECAIMIENTO ALFA: UNA REVISIÓN A LA TEORÍA DE GEORGE GAMOW.
[6] A C Melissinos and Jim Napolitano. Experiments
in modern physics; 2nd ed. New York, NY:
Academic Press, 2003. url: https://cds.cern.ch/
record/897801.
[7] Eugen Merzbacher. “The Early History of
Quantum Tunneling”. In: Physics Today 55.8
(Aug. 2002), pp. 44–49. doi: 10.1063/1.1510281.
url: https://doi.org/10. 1063/1.1510281.
[8] Curt A. Moyer Raymond A. Serway Clement J.
Moses. Modern Physics, Third Edition. David
Harris, 2005.
[9] Thaddeus J. Trenn. “Rutherford on the Alpha-
BetaGamma Classication of Radioactive
Rays”. In: Isis 67.1 (1976), pp. 61–75. issn:
00211753, 15456994. url: http: //www.jstor.org/
stable/231134.
6. Biografía
1
Teniente Coronel Edison
Ramiro Acurio Armas, GR.
Administración Aeronáutica,
Ingeniero Electrónico en
Telecomunicaciones, Maestría
en Educación/Jefe del
Departamento de Ingeniería de
Investigación de la Fuerza Aérea
y Centro de Desarrollo, Director de Carrera de
Tecnología Superior en Ciencias Militares
Aeronáuticas de la Universidad de las Fuerzas
Armadas ESPE, Subdirector de la Escuela Técnica de
la Fuerza Aérea.
2
José Guillermo Trujillo.- Maestría
en Diseño y Fabricación Asistida
por Computadora, Diploma
Superior de Cuarto Nivel en
Pedagogías Innovadoras,
Diplomado Internacional en
Gestión de Competencias,
Ingeniero Mecánico, Docente
tiempo completo/Instructor de la Escuela Técnica de
la Fuerza Aérea y de la Carrera de Tecnología Superior
en Ciencias Militares Aeronáuticas de la Universidad
de las Fuerzas Armadas-ESPE.
3
José Ignacio Trujillo.- Nació en Quito
en 1999. Sus estudios primarios y
secundarios fueron realizados en la
ciudad de Latacunga. Ha obtenido
reconocimientos académicos como
abanderado de la ciudad de Latacunga
en la Unidad Educativa N°5 de la FAE
y Portabanderín del Pabellón Nacional en el Colegio
Hermano Miguel. Sus estudios universitarios los está
realizando en Yachay Tech habiendo culminado el
séptimo semestre de la Carrera de Ingeniería en
Nanotecnología.
Autor para correspondencia:
jgtrujillo1@espe.edu.ec
REGISTRO DE LA PUBLICACIÓN
Fecha recepción 10 mayo 2021
Fecha aceptación 15 julio 2021
Artículo Cientíco / Scientic Paper
Revista Energía Mecánica Innovación y Futuro, X Edición 2021, No. 1( )
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ESPE
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 10 Vol. 1 / 2021 (9) ISSN 1390 - 7395 (1/1)
TÍTULO DE ARTÍCULO A SER PRESENTADO EN LA REVISTA ENERGÍA MECÁNICA
INNOVACIÓN Y FUTURO (EN ESPAÑOL)
TÍTULO DE ARTÍCULO A SER PRESENTADO EN LA REVISTA ENERGÍA MECÁNICA
INNOVACIÓN Y FUTURO (EN INGLES)
1
Nombre Apellido Autor ,
2
Nombre Apellidos Autor,
3
Nombre Apellidos Autor,
1-2-3
Institución o liación , Dirección
E-mail :
1 2 , 3
RESUMEN
Se presentan las instrucciones generales para
presentar el artículo cientíco en la Revista Energía
Mecánica Innovación y Futuro Vol. 4 necesarios
para ser considerada su publicación.
El resumen presenta el objetivo, alcance, resultados
que sean fácilmente identicables por los lectores.
Debe contener de 150 a 250 palabras. Use la letra
tipo Times New Roman en tamaño 11 en texto
justicado.
Palabras clave:
Palabras que relacionan el contenido del artículo
que se encontrarán en el resumen serán de 3 a 5
citándose en orden alfabético.
ABSTRACT
Redacción del resumen en inglés
Keywords:
Palabras claves en inglés.
Nombre del articulo Artículo Cientíco / Scientic Paper ./ Autores
ESPE
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 10 Vol. 1 / 2021 (9) ISSN 1390 - 7395 (1/1)
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Instrucciones.
No exceder más de 7000 palabras entre 8 y 10 carillas
máximo e incluir:
• Título en español e ingles
• Autores y su liación institucional
• Resumen en español e inglés
• Palabras clave en español e inglés
Contenido del Artículo:
1. Introducción
• Fundamentación
• Deniciones
• Revisión de literatura
• Formulación de objetivos y establecimiento
de hipótesis
2. Materiales, fuentes y métodos
• Recopilación de datos
• Tratamiento de las variables
• Análisis estadístico
• Material adicional
• Figuras
• Tablas
• Resultados
• Discusión
• Conclusiones
• Referencias bibliográcas
Material adicional
NORMATIVA:
Título principal
El título del artículo debe estar centrado y con fuente
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Nombre del Autor(s) y aliaciones
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este documento.
Se escribirá primero el nombre y luego el apellido.
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estarán separados por comas de manera que todos los
nombres se los autores estén en una sola línea. Los
detalles de los autores no deben mostrar ningún título
profesional como PhD, MSc, Dr.
Utilizar editor de ecuaciones de Microsoft Word.
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la numeración entre paréntesis y alineándola con el
margen derecho.
La ecuación debe estar centrada.
Utilizar unidades del sistema métrico SI.
REFERENCIAS
Aquí se colocará la bibliografía utilizada.
Vericar las citas colocadas, considerar la norma:
APA
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Las referencias se presentan al nal ordenadas
numéricamente en corchetes [1] según el orden de
aparición en el texto. Un punto debe seguir al paréntesis
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[2].
Referencias múltiples pueden citarse con paréntesis
separados por un guión [1]–[3]. Cuando se cite un libro
indicar las páginas con la información relevante.
Al nal del artículo liste y enumere todas las referencias
bibliográcas con una fuente Times New Roman
tamaño 12.
Usar “et al” si hay seis autores o más.
Resultados y Discusión
Analizar datos, valores curvas obtenidas en el proceso
de desarrollo del articulo o investigación.
Conclusiones
Obtenidas de los datos obtenidos.
Biografía.
Incluir fotografía formal y actualizada, con estudios y
títulos académicos, funciones en la institución.
El resto de artes y diseños se colocaran por parte de la
editorial.
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ISNN 1390-7395 conferido por la SENESCYT a
petición de la Universidad de Fuerzas Armadas ESPE.
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