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Agradecimientos

En primer lugar quisiera agradecerles a Xabier Carrera y a José Manuel

Carballo todo el apoyo y la incalculable ayuda que me han aportado durante todo este tiempo, su ayuda en los momentos más difíciles ha sido fundamental para la viabilidad de este proyecto.

A Joan Savall, director del proyecto, por aportarme todo su apoyo y

experiencia con ideas que siempre llegaban a buen término, y por confiar en mi.

A Emilio Sánchez por aportarme todos sus conocimientos de motores

eléctricos que me han sido de mucha utilidad a la hora de comprender y elegir el actuador. También me gustaría agradecer la gran ayuda recibida por José Jesús Fraile Mora catedrático de la Escuela de Ingeniero de Caminos y a su hijo José Jesús profesor de la universidad, que me aportaron nuevas soluciones de seguridad y gran ayuda a la hora de comprender un poco más el funcionamiento de determinados componentes eléctricos.

También quiero agradecer a mis padres Antonio Miguel y Maria del

Carmen así como a toda mi familia todo su apoyo durante toda mi vida. A mis amigos de Sevilla con los que he compartido toda una vida, y de

San Sebastián, con los que he vivido estos últimos años. A todos ellos con quienes he compartido todas mis alegrías y problemas.

También quisiera mencionar a los compañeros y alumnos de

Laboratorio: Juan Lizeaga que en todo momento me ha ayudado a montar, desmontar y construir con un trato excelente y por su gran amabilidad y empeño para que las cosas salgan bien, a José Macayo, Mikel Ares, Imanol Puy, Javier Sánchez, Laurentzi Garmendia y Eduardo Gómez por suministrarme material cuando lo he necesitado. Y al personal del taller, Enrique, Isaías, Antonio y Juan Villarón por su amabilidad en el trato y por construir las piezas que necesitaba.

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Resumen

El tema del presente proyecto es el diseño e implantación de un control

electrónico del acelerador, conocido generalmente como “drive by wire”. En la realización del proyecto se distinguieron tres partes diferentes:

medición, actuación y control. En la primera parte, la medición, se explicará como se va medir la

posición del pedal del acelerador, utilizando un potenciómetro y un mecanismo se intentará sacar la mejor resolución al sensor.

En la segunda parte nos encontramos con la actuación, la utilización de

un motor eléctrico y el conocimiento de su funcionamiento serán trascendentes para una correcta puesta a punto del conjunto.

Y por último se llega al control de la actuación, el sistema integrado es

un dispositivo parecido a un ordenador que recibe datos de la posición del pedal y envía señales de control de movimiento al actuador. Este dispositivo donde se registran todas las señales procedentes de todos los sensores del Car-Cross es el nexo de unión entre la medición y la actuación y será muy importante programarlo de manera correcta.

El resultado de este proyecto posibilitará la apertura de nuevas vías de

trabajo, como pueden ser el control de tracción, diferentes programas de conducción en función del estilo de cada persona, cruise control, etc. que pueden ser muy interesantes para futuros proyectistas en el laboratorio.

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Índice

Agradecimientos...................................................................................... iii Resumen .................................................................................................iv Índice ....................................................................................................... v Índice de ilustraciones. .......................................................................... viii Capítulo 0. Introducción........................................................................... 1

0.1. Presentación del vehículo Car-Cross............................................ 1 0.2. Detalle de los elementos principales del proyecto. ....................... 3 0.3. Requisitos evolución y soluciones................................................. 4

Capítulo 1. Objeto.................................................................................... 7 Capítulo 2. Medición de la posición del acelerador. ................................ 8

2.1. Introducción................................................................................... 8 2.2. Objetivo y necesidades. ................................................................ 9 2.3. El sensor de posición. ................................................................. 10 2.4. El potenciómetro. ........................................................................ 13

2.4.1. Introducción, esquema y principio de funcionamiento. ......... 13 2.4.2. Aplicaciones y tipos. ............................................................. 15 2.4.3. Descripción........................................................................... 16

2.4.3.1. Potenciómetros de desplazamiento lineal...................... 16 2.4.3.2. Potenciómetros de desplazamiento angular .................. 16

2.4.4. Materiales. ............................................................................ 17 2.4.5. Conexión de un potenciómetro............................................. 18 2.4.6. Características técnicas........................................................ 18 2.4.7. Ventajas y desventajas......................................................... 20

2.5. Desarrollo de los objetivos y necesidades. ................................. 20 2.5.1. Angulo de giro del acelerador............................................... 20 2.5.2. Potenciómetro. ..................................................................... 20

2.5.2.1. Resolución del Data Logger y del potenciómetro........... 21 2.5.2.2. Elección del potenciómetro y ángulo de giro.................. 24

2.5.3. Mecanismos. ........................................................................ 24 2.5.3.1. Solución 1: Utilizando engranajes.................................. 24 2.5.3.2. Solución 2: Poleas dentadas.......................................... 27 2.5.3.3. Solución 3: Potenciómetro de desplazamiento lineal. .... 28 2.5.3.4. Solución 4: Mecanismo instalado anteriormente............ 29

2.5.4. Linealidad. ............................................................................ 32 2.5.5. Tensión de alimentación y ángulo de giro. ........................... 32

2.6. Resumen y conclusiones. ........................................................... 32 Capítulo 3. Actuación............................................................................. 34

3.1. Motores seleccionados. .............................................................. 34 3.1.1. Introducción. ......................................................................... 34 3.1.2. Motores eléctricos. ............................................................... 34

3.1.2.1. Motor de corriente continua. .......................................... 35 3.1.2.2. Servomotor. ................................................................... 37 3.1.2.3. Motores paso a paso...................................................... 41 3.1.2.4. Motores sin escobillas (Brushless)................................. 46

3.1.3. Comparación entre los diferentes motores. .......................... 49

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3.2. Mediciones. ................................................................................. 50 3.2.1. Toma de mediciones. ........................................................... 50 3.2.2. Ángulo girado por las mariposas. ......................................... 50 3.2.3. Par necesario para mover las mariposas. ............................ 52

3.2.3.1. Dinamómetro. ................................................................ 52 3.2.3.2. Sensor de fuerza............................................................ 55

3.3. El actuador. ................................................................................. 61 3.3.1. Introducción. ......................................................................... 61

3.3.1.1. Par. ................................................................................ 62 3.3.1.2. Tensión. ......................................................................... 62 3.3.1.3. Velocidad de respuesta.................................................. 62 3.3.1.4. Reversibilidad. ............................................................... 62 3.3.1.5. Muelles........................................................................... 62

3.3.2. Mecanismos propuestos....................................................... 62 3.3.3. Comparaciones entre los mecanismos................................. 63

3.3.3.1. Mecanismo de barras..................................................... 63 3.3.3.2. Mecanismo de poleas. ................................................... 64 3.3.3.3. Mecanismo de poleas con reducción en el actuador. .... 64 3.3.3.4. Mecanismo de husillo y motor paso a paso. .................. 65

3.3.4. Conclusiones. ....................................................................... 65 3.4. Diseño del mecanismo y el soporte. ........................................... 66

3.4.1. Medición de temperaturas. ................................................... 69 3.4.2. Fabricación del soporte. ....................................................... 70 3.4.3. Elección del servomotor. ...................................................... 71 3.4.4. Elección de la polea. ............................................................ 72 3.4.5. Montaje................................................................................. 73

3.5. Resumen..................................................................................... 74 Capítulo 4. Control y programación. ...................................................... 75

4.1. La unidad de control electrónico ................................................. 75 4.2. La tarjeta de adquisición de datos............................................... 75 4.3. Parámetros importantes para la programación. .......................... 77 4.4. Seguridad.................................................................................... 78 4.5. Inconvenientes y soluciones. ...................................................... 79

Capítulo 5. Sistema integrado. .............................................................. 80 Capítulo 6. Diferencias. Ventajas y Futuras líneas de trabajo. .............. 82

6.1. Introducción ................................................................................ 82 6.2. Diferencias entre Drive By Wire comercial y Car-Cross.............. 82

6.2.1. Pedal del acelerador............................................................. 82 6.2.2. El actuador. .......................................................................... 84 6.2.3. La unidad de control electrónico (UCE). ............................... 85

6.3. Ventajas de un acelerador electrónico. ....................................... 85 6.4. Futuras líneas de trabajo. ........................................................... 86

6.4.1. Control de tracción. .............................................................. 87 6.4.2. Cruise Control (Velocidad De Crucero). ............................... 87 6.4.3. Tipos de conducción............................................................. 87 6.4.4. Conclusiones. ....................................................................... 88

Capítulo 7. Presupuesto. ....................................................................... 90 7.1. Mediciones y consideraciones. ................................................... 90 7.2. Cuadro de precios....................................................................... 91

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7.3. Listado de precios. ...................................................................... 92 Capítulo 8. Bibliografía. ......................................................................... 93 Capítulo 9. URL’s consultados. ............................................................. 94

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Índice de ilustraciones.

Figure 1: Car-Cross Melmac. ............................................................................. 2 Figure 2: Modelización del Car-Cross. ............................................................... 3 Figure 3: Acelerador del Car-Cross.................................................................... 3 Figure 4: Tarjeta de adquisición de datos. ......................................................... 4 Figure 5: Zona a actuación del carburador......................................................... 4 Figure 6: Acelerador en vehículos especiales. ................................................... 8 Figure 7: Diferentes tipos de pedales de acelerador .......................................... 9 Figure 8: Encoder incremental. ........................................................................ 11 Figure 9: Pedal con potenciómetro integrado................................................... 13 Figure 10: Esquema de un potenciómetro. ...................................................... 13 Figure 11: Variación de la resistencia de un potenciómetro con el ángulo....... 14 Figure 12: Potenciómetro ................................................................................. 15 Figure 13: Representación de un potenciómetro.............................................. 15 Figure 14: Aspecto de un potenciómetro lineal ................................................ 16 Figure 15: Aspecto de un potenciómetro angular............................................. 17 Figure 16: Esquema de un potenciómetro angular........................................... 17 Figure 17: Conexión de un potenciómetro ....................................................... 18 Figure 18: Parámetros de un potenciómetro. ................................................... 18 Figure 19: Leyes de variación de la R de un potenciómetro. ........................... 20 Figure 20: Engranajes. ..................................................................................... 24 Figure 21: Tren de engranajes. ........................................................................ 26 Figure 22: Poleas. ............................................................................................ 28 Figure 23: Potenciómetro lineal........................................................................ 29 Figure 24: Vista del nuevo mecanismo. ........................................................... 30 Figure 25: Mecanismo de giro del potenciómetro............................................. 31 Figure 26: Muelle, polea, rodamiento y potenciómetro..................................... 31 Figure 27: Mecanismo completo. ..................................................................... 32 Figure 28: Servomotor...................................................................................... 38 Figure 29: Funcionamiento de un servo mediante pulsos. ............................... 39 Figure 30: Posiciones para paso simple........................................................... 44 Figure 31: Posiciones para paso doble. ........................................................... 44 Figure 32: Posiciones para medio paso. .......................................................... 45 Figure 33: Eje de la mariposa........................................................................... 51 Figure 34: Medidor del ángulo de giro.............................................................. 52 Figure 35: Mecanismo elevador. ...................................................................... 53 Figure 36: Carburador, dinamómetro y elevador.............................................. 53 Figure 37: Sensor de fuerza............................................................................. 56 Figure 38: Amplificador San-Ei y Polímetro...................................................... 56 Figure 39: Puente de Weahtstone entre el sensor de fuerza y el San-Ei. ........ 57 Figure 40: Conexión de las galgas con el puente de Wheatstone.................... 57 Figure 41: Vista del conjunto completo. ........................................................... 58 Figure 42: Disposición del sensor. ................................................................... 59 Figure 43: Relación entre la fuerza aplicada y el voltaje obtenido.................... 59 Figure 44: Ángulo entre la perpendicular al eje y el cable del acelerador. ....... 60 Figure 45: Nuevo diseño del mecanismo. ........................................................ 67

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Figure 46: Tapa de las bujías y soporte antiguo............................................... 68 Figure 47: Soportes propuestos. ...................................................................... 68 Figure 48: Termopar y multímetro. ................................................................... 69 Figure 49: Prototipo hecho de resinas.............................................................. 70 Figure 50: Soporte realizado en la máquina de electro-erosión. ...................... 71 Figure 51: Conjunto montado en el motor de pruebas. .................................... 73 Figure 52:Soporte con el servo amarrado. ....................................................... 74 Figure 53: Posición de la UCE. ........................................................................ 75 Figure 54: Data-Logger. ................................................................................... 76 Figure 55: Display integrado en el cuadro de mandos. .................................... 76 Figure 56: Tren de pulsos para el servo elegido. ............................................. 77 Figure 57: Circuito de seguridad utilizando puerta AND................................... 78 Figure 58: Sensor de posición del vehículo Car-Cross. ................................... 83 Figure 59: Pedal de acelerador en coches comerciales................................... 83 Figure 60: Acelerador electrónico en un Cadillac. ............................................ 84 Figure 61: Motores eléctricos fabricados por Bosch......................................... 85

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Capítulo 0. Introducción.

El presente proyecto comenzó en octubre de 2003, y como otros fue

realizado en el Laboratorio de Automoción de TECNUN. Todo empezó allá por Septiembre de 2003, el alumno, interesado en

temas de automoción habló con Joan Savall y este le ofreció la posibilidad de realizar este proyecto. Proyecto que cuenta con un poco de todo pero sobre todo con el ingrediente principal, los coches.

El acelerador electrónico, en inglés conocido como Drive-By-Wire, es

una tecnología que está empezando a ser implantada desde no hace mucho tiempo, viene del Fly-By-Wyre utilizada desde hace bastante tiempo en los aviones. La introducción del by-wire en el automóvil ha sido gracias a la Fórmula 1, desde hace unos pocos años se viene investigando la implantación en estos coches de carreras de esta tecnología, y los resultados ya se pueden ver, las fulminantes salidas de los coches Renault son gracias a un sofisticado sistema de control de tracción y al drive by wire, entre otros factores. Hoy en día cada vez más aparecen más marcas con el sistema drive by wire, seguro que alguno recordará el anuncio del nuevo Golf (2004), en el que en la última imagen aparecen las letras ETC que significan “Electronic Throttle Control” Control electrónico del acelerador. Es por ello que esta es una tecnología muy nueva hoy en día en los coches de calle.

El proyecto se dividió en las siguientes fases, obtención de información,

diseño del sensor de posición, diseño del mecanismo de actuación así como la búsqueda de un actuador y por último programación.

0.1. Presentación del vehículo Car-Cross.

El elemento principal sobre el que se trabaja y a su vez se extraen resultados es evidentemente el propio coche. Se trata de un Car-Cross modelo Melmac fabricado por Tenroj para pruebas en circuitos de tierra. En la Figure 1 se observa al Car-Cross en acción en el circuito de Olaberria (Guipúzcoa) en una de las pruebas realizadas.

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Figure 1: Car-Cross Melmac.

Las especificaciones técnicas son las siguientes: Chasis tubular con diámetro de los tubos de 32 y 40mm. Motor central Honda CBR600 F Potencia aproximada: 92CV a 12000rpm. Par máximo: 12 mdaN a 10500rpm. Régimen máximo: 12330rpm. Tracción: ruedas traseras sin diferencial. Peso: inferior a 300kg. Suspensión: doble triángulo independiente a las cuatro ruedas.

Conjunto muelle amortiguador en cada rueda. Precarga de muelle ajustable. Amortiguador regulable. Frenos: de disco macizo de 5mm. dos discos delanteros y uno

trasero. Reparto de frenada delantero/trasera regulable. Dirección: tipo piñón/cremallera. Cambio de marchas: secuencial de 6 velocidades. No tiene marcha

atrás. Transmisión: por cadena.

El coche ha sido modelizado en Pro-Engineer con anterioridad en el

propio laboratorio, tal y como lo muestra la Figure 2.

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Figure 2: Modelización del Car-Cross.

0.2. Detalle de los elementos principales del proyecto.

A continuación se presenta una galería de fotos en las que se muestra los elementos que más interés tienen en este proyecto.

El acelerador se muestra en la figura siguiente, será la pieza clave en la

parte de medición.

Figure 3: Acelerador del Car-Cross.

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El data logger se muestra en la Figure 4. En ella se recogen toda la

información proveniente de los sensores instalados en el coche. Está situada detrás del asiento del piloto.

Figure 4: Tarjeta de adquisición de datos.

Y por último se muestra la parte del motor en la que se actuará, se

puede observar en la figura el cable del acelerador en la esquina superior derecha. En la tapa gris o en el lugar del antiguo soporte, que se pueden observar en la figura irá un mecanismo donde se apoyará el actuador.

Figure 5: Zona a actuación del carburador.

0.3. Requisitos evolución y soluciones.

En el presente proyecto ha sido necesario el estudio o cálculo de los siguientes conceptos:

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Resolución: Para la medición de la posición del pedal del acelerador fue necesario conocer la resolución tanto del potenciómetro utilizado como del Data Logger (sistema de adquisición de datos), esto se debe a que el Data Logger tiene un valor de resolución por debajo del cual no sabe lo que está ocurriendo. Por ello se buscó un potenciómetro con una resolución parecida a la del Data Logger pero siempre por encima de éste. Se intentaba conseguir el mayor número de valores del potenciómetro, para agotar el fondo de escala del sistema de adquisición de datos, y tener más valores para el actuador.

Mecanismo del potenciómetro: Se utilizó un mecanismo que

conectase el pedal del acelerador con el potenciómetro, de forma que consiguiese el giro de este último ante cualquier giro del pedal. Se hizo un rediseño mejorado del que se estaba utilizando en estos momentos para conseguir un mayor número de valores. El potenciómetro se alimentó a 12 voltios, pero el Data Logger no admite más de 5 voltios, por eso el nuevo diseño se hizo de forma que el potenciómetro girase 450º que es cuando da la señal de 5 voltios y se consiguiese así el mayor número de valores. Para ello aparte del rediseño del mecanismo, también se redujo el radio de la polea que hace que gire el potenciómetro para conseguir mayor giro.

Reversibilidad: En la actuación se intentará usar los muelles como

mecanismo de seguridad. Su función consistirá en que una vez el actuador deje de abrir la mariposa, los muelles se encargaran de hacerla volver a cero. Pues bien, utilizaremos el concepto de reversibilidad o irreversibilidad para definir cuando en un mecanismo los muelles son capaces o no de cerrar la mariposa cuando el motor no funcione. Si el motor es reversible o no dependerá de este factor.

Actuador: En la actuación el actuador tiene que funcionar con un

máximo de 12 voltios, y con una intensidad de no más de 5 amperios (suministrados por la batería) y con un par suficiente. Existen actuadores que cumplen con el requisito de tensión y par, pero consumían mucha intensidad, por lo que fueron descartados. El resto de actuadores cumplían con estos requisitos pero tenían un par muy pequeño.

Par: En la actuación fue necesario realizar una medición del par

necesario para mover las mariposas, el resultado fue de 4kg*cm. Ese es el valor mínimo de par que tendrá que realizar el actuador utilizado para abrir la mariposa, para cerrarla se encargarían los muelles. Pero después de realizar cálculos de posibles mecanismos para mover la mariposa, se llegó a la conclusión de que ninguno aportaba el suficiente coeficiente de seguridad en cuanto a par, por lo que se decidió eliminar los muelles. El nuevo motor tiene como

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requisito mínimo un par de 1kg*cm pero se le aplicará un coeficiente de seguridad de 5, quedando en 5kg*cm.

Seguridad: Al ser eliminados los muelles de retorno de la mariposa

se perdió seguridad, ya que el nuevo actuador tendría que mover la mariposa tanto para abrirla como para cerrarla, y en caso de fallar, la mariposa se quedaría abierta.

Soporte: Se utilizó un soporte para sujetar el servomotor, pero

como este no resiste temperaturas mayores de 60º, se tuvo que poner una placa reflectante entre el soporte y la tapa de bujías, para evitar que el aire caliente proveniente del la tapa de bujías estropease el servo.

Control: En el control aparecieron muchos problemas, el

servomotor funciona con señal PWM, pero la señal PWM que envía el sistema de adquisición de datos es lenta e imprecisa. Finalmente se optó por utilizar un circuito electrónico aparte. El esquema final quedaría de la siguiente forma: la señal del potenciómetro instalado en el pedal llega al sistema de adquisición de datos, ahí se procesan los datos recibidos y se envía una señal al circuito electrónico que se encargará a su vez de generar una señal PWM que le será enviada al servo. Se podría eliminar el paso por el sistema de adquisición de datos, pero es esencial que la señal pase por ahí, para poder implantar distintos programas de conducción.

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Capítulo 1. Objeto

El laboratorio de Automoción de TECNUN dispone de un vehículo de competición Car-Cross sobre el cual se realizan y se han realizado diversos trabajos, muchos de los cuales son proyecto final de carrera.

Muchos de estos trabajos consisten en mejorar las comodidades de

conducción como puede ser el cambio automático con las marchas en el volante, y otros proyectos sirven para ver cual es el funcionamiento de diferentes partes del coche.

Pues bien, el objeto de proyecto consiste en implantar un acelerador

electrónico de forma que permita exprimir al máximo la potencia del motor consiguiendo una disminución de la contaminación del coche, del consumo de gasolina, o evitando peligrosas situaciones como los derrapes en las salidas. De forma que se puedan configurar diferentes posibilidades de conducción.

Este proyecto puede ser un punto de partida de futuros proyectos que

contribuirían a la mejora de muchos aspectos del Car-Cross.

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Capítulo 2. Medición de la posición del acelerador.

2.1. Introducción.

El pedal del acelerador es uno de los elementos esenciales en un coche, su función es la de transmitir al motor el deseo del conductor de alcanzar una cierta velocidad o aplicar más o menos par en las ruedas motrices.

Se ha visto que hay diferentes tipos de aceleradores así como en

diferentes posiciones. El sitio normal suele ser en el habitáculo del coche donde suele colocar las piernas el conductor, esto da una gran comodidad a la hora de manejarlo. En algunos casos también nos podemos encontrar en coches especiales que el acelerador está ubicado en el volante, y es accionado mediante una palanca o un volante más pequeño que al ser presionado funciona como el pedal.

Figure 6: Acelerador en vehículos especiales.

En estos casos el mecanismo siempre es el mismo; el pedal o la

palanca tira de un cable que a su vez acciona la mariposa del carburador (motor de gasolina) o controla el caudal de combustible que debe entrar en los cilindros (motor diesel). Una vez que se suelta, el pedal retornará a su posición inicial gracias a la acción de unos muelles, de esta forma el motor no actuará y el vehículo ralentizará su marcha.

En cuanto a los diferentes tipos nos encontramos con los que están

apoyados en el suelo y giran respecto a un eje situado por debajo del pedal apretando un muelle y están los que giran respecto a un eje situado por encima del pedal, en las siguientes figuras se comprenderá mejor la diferencia.

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Figure 7: Diferentes tipos de pedales de acelerador

Como ya se ha mencionado anteriormente, el presente proyecto se ha

dividido en tres partes, en las cuales los elementos actuantes tienen igual importancia, pues el fallo de uno de ellos provocaría el mal funcionamiento del conjunto en completo Una buena medición de la posición del acelerador es importante para el desarrollo de una conducción cómoda y sin problemas debidos a tirones.

La correcta medición de la posición del pedal del acelerador es de vital

importancia para la consecución de este proyecto, puesto que los datos que se reciban en la unidad de control electrónico provenientes del pedal serán procesados para enviar una señal al actuador. Y esta tiene que ser lo más precisa posible para evitar problemas o mal funcionamiento.

Debido a esto se manejarán diversas posibilidades para la medición de

la posición del pedal, utilizando como sensor casi con total probabilidad un potenciómetro. Pero se estudiarán mecanismos diferentes que serán los encargados de hacer girar al potenciómetro.

2.2. Objetivo y necesidades.

El objetivo que se pretende conseguir es el de conocer en todo momento y lo más exacto posible cuál es la posición del acelerador. Se utilizará un potenciómetro, el cual recibirá el movimiento del pedal mediante un mecanismo que habrá que diseñar previamente.

Para la consecución de este objetivo se tendrán que realizar las

siguientes tareas:

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1. Medición del ángulo que gira el pedal del acelerador. 2. Búsqueda de un mecanismo que se mueva de manera eficiente con

el pedal y mueva a la vez el potenciómetro. 3. Realización de pruebas con diferentes potenciómetros de 1, 3 y 10

vueltas a fin de conocer cuales tienen mejor resolución para ser utilizados y que compararlos con la resolución del Data Logger.

4. Búsqueda de una sistema de sujeción del potenciómetro. 5. Decidir a partir del potenciómetro elegido si la alimentación se

realizará con 5V ó 12V. Así como calcular el número de grados que deberá girar para ajustar al máximo el número de puntos utilizables.

Una vez definido todo esto, se procederá a dibujar los planos para la

construcción.

2.3. El sensor de posición.

Un sensor o captador, es un dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que seamos capaces de cuantificar y manipular.

Normalmente estos dispositivos se encuentran realizados mediante la

utilización de componentes pasivos (resistencias variables, PTC, NTC, LDR etc.. todos aquellos componentes que varían su magnitud en función de alguna variable), y la utilización de componentes activos.

En este apartado se presentan los tipos y principios de funcionamiento

de diferentes sensores que se pueden utilizar para la medida de la posición de distintos elementos:

1. Encoders: Encoders incrementales: Se utilizan fundamentalmente para el cálculo de la posición angular. Básicamente constan de un disco transparente, el cual tiene una serie de marcas opacas colocadas radialmente y equidistantes entre sí; de un elemento emisor de luz ( como un diodo LED); y de un elemento fotosensible que actúa como receptor. El eje cuya posición angular se va a medir va acoplado al disco. Encoders absolutos: Es similar al anterior, sin embargo en este caso lo que se va a medir no es el incremento de esa posición, sino la posición exacta. La disposición es parecida a la de los encoders incrementales. También se dispone de una fuente de luz, de un disco graduado y de un fotorreceptor. La diferencia estriba en la graduación o codificación del disco. En este caso el disco se divide en un número fijo de sectores y se codifica cada uno con un código cíclico. No es necesaria ninguna mejora para detectar el sentido del giro, ya que la codificación de los distintos sectores angulares es absoluta. La resolución de estos sensores es fija y viene dada por el número de anillos que posea el disco, o lo que es lo mismo, el número de bits del

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código utilizado. Normalmente se usan códigos de 8 a 19 bits. Tanto los encoders absolutos como los incrementales son dispositivos especialmente sensibles a golpes y vibraciones.

Figure 8: Encoder incremental.

2. Ultrasónico: Este tipo de sensores representa una opción para realizar mediciones de posición a distancia y sin contacto mediante ondas de frecuencia y amplitud constante. Su principio de operación es básicamente la transmisión de una señal piloto ultrasónica y la recepción de una señal reflejada, para determinar si existe un objeto en el área de detección. La transmisión y recepción de energía ultrasónica es la base para muchos medidores ultrasónicos y de velocidad. Las ondas ultrasónicas son ondas acústicas de una frecuencia que no es audible por el ser humano; es decir, mayores a 20 kHz. Cuando las ondas inciden en un objeto, parte de su energía es reflejada, según cuanto tarden estas en volver, se sabe donde se encuentra el objeto. Una aplicación muy común para este tipo de transmisores son las puertas automáticas de los edificios y supermercados, donde se debe tener mucho cuidado con el ajuste de la distancia a la que se debe detectar a una persona, porque se corre el riesgo de que las ondas alcancen a reflejarse en el piso. 3. Láser: El principio de funcionamiento es igual al del ultrasónico pero la onda que se utiliza es un haz láser. 4. Inductivos: Son instrumentos electromecánicos en los que las características magnéticas de su circuito eléctrico cambian en respuesta al movimiento

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de un objeto. Con este movimiento se genera una respuesta electromotriz o se genera una tensión. Entre los sensores inductivos destaca el transformador diferencial de variación lineal (LVDT) debido a su casi infinita resolución, poco rozamiento y alta repetibilidad. Su funcionamiento se basa en la utilización de un núcleo de material ferromagnético unido al eje cuyo movimiento se quiere medir. Este núcleo se mueve linealmente entre un devanado primario y dos secundarios, haciendo con su movimiento que varíe la inductancia entre ellos. Al variar la posición del núcleo, hace crecer la tensión de un devanado y disminuir la del otro. Del estudio de la tensión se deduce que ésta es proporcional a la diferencia de inductancias mutuas entre el devanado primario con cada uno de los secundarios, y que por tanto depende linealmente del desplazamiento del vástago solidario al núcleo. Además de las ventajas señaladas, el LVDT presenta una alta linealidad, gran sensibilidad y una respuesta dinámica elevada. Su uso esta ampliamente extendido, a pesar del inconveniente de poder ser aplicado únicamente en la medición de pequeños desplazamientos. 5. Resistivos: Como es el caso de los potenciómetros. Se trata de una resistencia y un cursor que se desplaza sobre ella. Se alimenta la resistencia con un voltaje regulado y del cursor a tierra obtenemos un voltaje proporcional al desplazamiento producido. Hay de diferentes formas; lineales, circulares, logarítmicos, etc. material; película de carbón, bobinados sobre cerámica, etc.

Como se puede observar, algunos sensores pueden ser descartados

debido a las condiciones de trabajo, como es el caso del encoder, que son bastante sensibles a los golpes y vibraciones, además el Data Logger no tiene entrada para encoder por lo que se precisaría de una electrónica más compleja.

Otros sensores son descartables debido a que son muy caros o difíciles

de utilizar, como puede ser el láser o el ultrasónico, y para la aplicación demandada se requiere algo sencillo y de bajo costo.

Es por ello por lo que al final se optó por utilizar un sensor de tipo

resistivo, es decir, un potenciómetro, pues tienen un bajo costo, son fáciles de manejar y tienen las características suficientes para la aplicación, además es muy utilizado para medir la posición del pedal.

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Figure 9: Pedal con potenciómetro integrado.

Del elemento escogido para la medición de la posición del pedal se

hablará mas intensamente en el siguiente apartado.

2.4. El potenciómetro.

2.4.1. Introducción, esquema y principio de funcionamiento.

Un potenciómetro es un resistor con un contacto móvil deslizante. Estos resistores pueden variar su valor dentro de unos límites. Para ello se les ha añadido un tercer terminal unido a un contacto móvil que puede desplazarse sobre el elemento resistivo proporcionando variaciones en el valor de la resistencia. Este tercer terminal puede tener un desplazamiento angular (giratorio) o longitudinal (deslizante). A continuación se muestra un esquema de este sensor:

Figure 10: Esquema de un potenciómetro.

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Donde la resistencia en un momento determinado será:

( ) ( ) ( )xLLR

xLA

LA

R p −⋅=−⋅=−⋅⋅=ραρ 1

Observamos que la resistencia entre el cursor y uno de sus terminales

es proporcional al desplazamiento del mismo. En la siguiente figura se observa la variación del valor óhmico de un

potenciómetro en función del ángulo de rotación:

Figure 11: Variación de la resistencia de un potenciómetro con el ángulo.

El comportamiento descrito es ideal e implica aceptar algunas

simplificaciones cuya validez no se puede garantizar en todos los casos. Se asume que para ello:

1. La resistencia es uniforme a lo largo de todo el recorrido o bien sigue

una ley determinada. 2. El contacto del cursor proporciona una variación de resistencia

continua (no a saltos) por tanto, la resolución es infinita. 3. Si se alimenta el potenciómetro con una tensión alterna, su

inductancia y capacidad deben ser despreciables. i) Para valores de Rp bajos, la inductancia no siempre es despreciable,

sobre todo para potenciómetros bobinados. ii) Para valores de Rp altos, la capacidad parásita puede tener

importancia. 4. La temperatura del potenciómetro es uniforme. Esta se debe tanto al

medio que lo rodea como al propio autocalentamiento. 5. El rozamiento del cursor y su inercia son despreciables. Estas características ideales, obviamente, no se consiguen plenamente

en los potenciómetros comerciales. No obstante, estas limitaciones son

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compensadas sobradamente por las ventajas de este dispositivo que, siendo simple y robusto, permite obtener buena exactitud en relación con su precio.

Las características reales son las siguientes: 1. Resistencia no uniforme en toda la excursión del cursor. 2. Resolución no infinita si son bobinados, saltos de hilo. 3. Inductancias y capacidades no despreciables. 4. Derivas con la temperatura y autocalentamiento 5. Falta de linealidad debido a la carga. 6. Inercias, rozamientos y velocidad máxima 7. Reducción de resolución debido a la resistencia de contacto.

2.4.2. Aplicaciones y tipos.

Figure 12: Potenciómetro

Las resistencias variables, llamadas potenciómetros, son usadas

frecuentemente en circuitos electrónicos dado su pequeño tamaño. Los símbolos que se usan para representar una resistencia variable son los siguientes:

Figure 13: Representación de un potenciómetro.

Los potenciómetros poseen un mando giratorio o deslizante para

graduarlos desde el exterior. Ejemplos de potenciómetros son los mandos de volumen de radios y televisores y también los controles de brillo y color de los televisores. Al variar la posición del eje del potenciómetro, varía la resistencia.

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2.4.3. Descripción.

2.4.3.1. Potenciómetros de desplazamiento lineal

También llamados reglas potenciométricas, consisten en una pista recta y entera de resistencia constante, formada por pistas de polímeros conductores. Por encima de ellas, se mueve un cursor que da la medida en voltaje respecto a la tierra.

Figure 14: Aspecto de un potenciómetro lineal

2.4.3.2. Potenciómetros de desplazamiento angular

Trabajan de la misma manera que los de desplazamiento rectilíneo, pero en este caso la pista es de forma circular permitiendo así la medición de variación de ángulos. Nos podemos encontrar con potenciómetros de dos tipos, los de una vuelta, en los que la pista es un circulo en el mismo plano, y los de más de una vuelta, donde el circulo se convierte en una espiral que crece según el eje perpendicular de este circulo. En ambos casos, el cursor se desplaza por encima de la pista creando una relación de linealidad entre la resistencia total y la parte desplazada del cursor.

La resistencia nominal Rn suele variar entre 1k. y 100k.. Sus tolerancias

de fabricación están entre el 5% y el 20%. Su variación con la temperatura es mayor en pistas conductoras.

El error de linealidad está comprendido entre 0,01% y 1% de Rn, medido

como la máxima desviación de la resistencia R(l), respecto de su valor lineal. El cursor debe asegurar un buen contacto eléctrico lo que implica:

ausencia de f.e.m. de contacto (chispas), resistencia de contacto débil y estable en el tiempo (desgaste) y en presencia de vibraciones o de velocidades elevadas del cursor.

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Figure 15: Aspecto de un potenciómetro angular.

Figure 16: Esquema de un potenciómetro angular.

La resistencia de contacto depende de la presión del cursor y de la

naturaleza y estado de las superficies de contacto. Es más elevada para los potenciómetros de pista conductora. Sus variaciones aleatorias durante el desplazamiento del cursor son fuentes de ruido, que es importante si la corriente derivada por el cursor es relativamente importante.

2.4.4. Materiales.

Existe en el mercado una variedad de elementos resistivos que se utilizan en los potenciómetros, el elemento más popular es el carbón, su mejor característica es el precio, pero como inconvenientes tiene las variaciones de temperatura y su vida; el cermet es una combinación de un material Cerámico y Metal que mejora muchísimo las características del carbón. Después se encuentra el bobinado, que sus principales ventajas son el bajo coeficiente de temperatura, su vida mecánica, bajo ruido, alta disipación, y estabilidad con el tiempo. Otro elemento utilizado es el plástico conductor que mejora en todas las características respecto a los demás elementos, pero tiene un precio superior.

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2.4.5. Conexión de un potenciómetro. Supóngase que se va a proceder a conectar un potenciómetro, resistor

variable provisto de tres contactos, habitualmente empleado para regular el flujo de corriente eléctrica en un circuito. Los contactos de los extremos del potenciómetro se conectan uno a la alimentación y el otro a masa (GND). El contacto intermedio se une a la entrada analógica (IN0, IN1, IN2, IN3) deseada.

Figure 17: Conexión de un potenciómetro

2.4.6. Características técnicas.

Estas son las especificaciones técnicas más importantes que podemos encontrar en las hojas de características que nos suministra el fabricante:

Figure 18: Parámetros de un potenciómetro.

1. Recorrido mecánico: es el desplazamiento que limitan los puntos

de parada del cursor (puntos extremos).

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2. Recorrido eléctrico: es la parte del desplazamiento que proporcionan cambios en el valor de la resistencia. Suele coincidir con el recorrido mecánico.

3. Resistencia nominal (Rn): valor esperado de resistencia variable entre los límites del recorrido eléctrico.

4. Resistencia residual de fin de pista (rf): Resistencia comprendida entre el límite superior del recorrido eléctrico del cursor y el contacto B (ver figura).

5. Resistencia residual de principio de pista (rd): Valor de resistencia comprendida entre límite inferior del recorrido eléctrico y el contacto A (ver figura).

6. Resistencia total (Rt): resistencia entre los terminales fijos A o A' y B, sin tener en cuenta la conexión del cursor e incluyendo la tolerancia. Aunque a efectos prácticos se considera igual al valor nominal (Rt=Rn).

7. Resistencia de contacto (rc): Resistencia que presenta el cursor entre su terminal de conexión externo y el punto de contacto interno (suele despreciarse, al igual que rd y rf).

8. Temperatura nominal de funcionamiento (Tn): es la temperatura ambiente a la cual se define la disipación nominal.

9. Temperatura máxima de funcionamiento (Tmax): máxima temperatura ambiente en la que puede ser utilizada la resistencia.

10. Potencia nominal (Pn): máxima potencia que puede disipar el dispositivo en servicio continuo y a la temperatura nominal de funcionamiento.

11. Tensión máxima de funcionamiento (Vmax): máxima tensión continua ( o alterna eficaz) que se puede aplicar a la resistencia entre los terminales extremos en servicio continuo, a la temperatura nominal de funcionamiento.

12. Resolución: cantidad mínima de resistencia que se puede obtener entre el cursor y un extremo al desplazar (o girar) el cursor. Suele expresarse en % en tensión, en resistencia, o resolución angular. Más adelante se tratará con más detenimiento el tema de la resolución, ya que será importante a la hora de elegir el potenciómetro.

13. Leyes de variación: es la característica que particulariza la variación de la resistencia respecto al desplazamiento del cursor. Las más comunes son la ley de variación lineal, y la logarítmica (positiva y negativa):

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Figure 19: Leyes de variación de la R de un potenciómetro.

En nuestro caso se utilizará un potenciómetro lineal, puesto

que es así como actúa el acelerador. 14. Linealidad o conformidad: indica el grado de acercamiento a la ley

de variación teórica que caracteriza su comportamiento, y es la máxima variación de resistencia real que se puede producir respecto al valor total (nominal) de la resistencia.

2.4.7. Ventajas y desventajas.

Los potenciómetros no suelen necesitar amplificadores puesto que son capaces de manejar tensiones relativamente grandes. Además, se pueden operar con tensiones de alterna o continua ampliando así sus aplicaciones. Sin embargo, el continuo roce produce desgastes, lo que puede hacer disminuir su vida útil y presentar ruido al estar desgastados. Esto provocaría un mal funcionamiento del acelerador electrónico.

2.5. Desarrollo de los objetivos y necesidades.

2.5.1. Angulo de giro del acelerador.

Antes de empezar a pensar en un mecanismo para la transmisión del giro del acelerador al potenciómetro, se debe calcular el ángulo de giro del pedal, pues será un factor importante a la hora de decidirse por un mecanismo u otro.

En el anejo de cálculos 1 se encuentran los cálculos obtenido mediante

tres métodos para saber el ángulo de giro del pedal que finalmente fue de 18,274º.

2.5.2. Potenciómetro.

El motivo de que se elija antes el potenciómetro que el mecanismo es sencillo, al saber que potenciómetro vamos a utilizar y cuantos grados debe girar, tendremos menos dificultad a la hora de diseñar un mecanismo.

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Para la elección del potenciómetro se tuvieron en cuenta los siguientes puntos: Resolución del Data Logger así como del potenciómetro, ángulo que debe girar, tipo de potenciómetro, es decir, si es de una 1, 3 ó 10 vueltas y voltaje de alimentación.

2.5.2.1. Resolución del Data Logger y del potenciómetro.

Nota previa: El significado de Data Logger y sistema de adquisición de datos es el mismo.

Se trata de ver cual es la resolución del Data Logger y compararla con la

del potenciómetro, porque de que sirve apurar al máximo el giro del potenciómetro si la tarjeta no va a saber que está ocurriendo. Es decir, la tarjeta de adquisición de datos tiene una resolución por debajo de la cual no sabe si el potenciómetro se ha movido o no. Por lo tanto tenemos que saber el valor de la resolución tanto del potenciómetro como de la tarjeta y tener en cuenta que un potenciómetro con una resolución menor que la de la tarjeta no servirá para nada, pero si que se intentará ajustar al máximo. A mayor cantidad de datos con mayor suavidad y precisión funcionará el coche.

La tarjeta de adquisición de datos tiene 12 bits que en total hacen (212)

4096 valores, y la tensión es de 5 voltios, por lo que dividiendo 5voltios entre 4096 valores nos da la resolución del Data Logger;

.2207,14096

5 mV=

Ahora hay que ver la resolución de los potenciómetros y si esta es

mayor que la de la tarjeta, entonces se podrá ajustar más el giro del pedal, pero si esta es menor, de poco sirve que se ajuste más el giro del pedal y gire más o menos grados. Así que se buscará un potenciómetro cuya resolución esté lo más cercano a 1,22mV, pero siempre por encima de ese valor.

En función de los resultados de resolución, se tendrá un valor fijo para la

elección del potenciómetro. El que tenga mejor resolución tendrá muchas posibilidades de ser utilizado, pero aún falta algo importante antes de elegirlo, y es el número de vueltas. La duda que se plantea en este momento es la siguiente: supongamos un potenciómetro cuyo recorrido es de tres vueltas (1080º) pero a la hora de trabajar solo se van a usar por ejemplo 150º, entonces para 0º la señal será 0 voltios, para 1080º será 5 voltios y para 150º serán los voltios que tengan que ser, con lo que estaremos utilizando muy pocos puntos si es de 3 vueltas. En los siguientes párrafos se explicará esto con más detalle, haciendo comparaciones entre los tres tipos de potenciómetros que se barajan para ser utilizados.

Con el programa Labview se comprobará la linealidad y se calculará la

resolución de tres potenciómetros, en concreto de los de 1,3 y 10 vueltas.

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Se han hecho pruebas con los potenciómetros para conocer cuantos puntos utilizarán de los 4096 que admite el Data Logger. Se sabe que la alimentación será de 5000mV, que en el giro actual del pedal la longitud de cable que se enrolla en la polea es de 23mm y el ángulo girado por el potenciómetro es de 109.8º, entonces haciendo los cálculos pertinentes se llega a la siguiente tabla.

Potenciómetro

Vueltas(n) Angulo girado

Para 1mV el potenc. gira

Carrera(mm). Sí polea de D=24mm

Resolución. Orden de magnitud

Puntos utilizados*

1 Vuelta 360º 0.072º 2*π*r*n=75.4 10mV 109.8º/0.072*10= 152ptos

3 Vueltas 1080º 0.216º 2*π*r*n=226.2 1-10mV 109.8º/0.216*1= 508ptos

10 Vueltas 3600º 0.72º 2*π*r*n=754 10mV 109.8º/0.72 *10= 152ptos

Tabla 1: Características de los potenciómetros utilizados.

En el anejo de cálculos 1 se puede ver la tabla con más detalles. La

resolución se obtuvo con el programa Labview. El Data Logger admite idealmente hasta 4096 valores, pero realmente

hasta unos 3500 aproximadamente, y su resolución entonces es de:

mV43.13500

5=

En cambio los potenciómetros al estar alimentados con 5V, tendrán

5000 valores si la resolución es de 1mV o 500 valores si la resolución es de 10mV. La cuestión es si los potenciómetros tienen tanta sensibilidad como para detectar todos esos puntos, es decir, que seguramente necesiten girar más grados para que detecte la variación, p.ej. el potenciómetro de una vuelta para dar una señal de 1mV girará 0.072º pero el mismo potenciómetro no se entera, tendría que girar 0.72º para enterarse, pues el orden de resolución es de 10mV.

Se trata de maximizar el número de valores del potenciómetro de

manera que no sea un factor más limitante que la tarjeta de adquisición. Esto se puede realizar de varias maneras:

1. Buscando un potenciómetro de 1 vuelta que tenga una resolución del

orden de 1mv si los hay y aumentando la carrera para que utilice más puntos y por tantos más valores. Si 5000puntos son 360º, 3500 puntos;

Xptosptos

→

→

3500º3605000 X=252º

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Es decir, consiguiendo un potenciómetro con buena resolución y girando la polea 252º habremos conseguido maximizar el sistema.

2. La otra posibilidad si no se encuentran potenciómetros con

resolución de 1mV es alimentar el de 1 vuelta con 12 voltios, con lo que tendríamos 1200 puntos y no sería necesario modificar el mecanismo utilizado en este momento. Pero hay que tener en cuenta un aspecto muy importante y es que para evitar roturas a la entrada analógica del Data Logger no le puede llegar una señal mayor de 5 voltios.

3. Utilizar un potenciómetro de 3 vueltas alimentado con 5 voltios y

maximizar el ángulo de giro de tal forma que podamos conseguir por lo menos 3500 puntos. Haciendo la misma regla de 3 que en el punto 1 obtenemos que X=756º, que es un valor muy alto y difícilmente se conseguirá girar ese ángulo.

Xptosptos

→

→

3500º10805000 X=756º

Se podría también utilizar un potenciómetro de 3 vueltas pero alimentándolo con 12V, con lo que tendríamos 12000ptos en caso de que la resolución sea del orden de 1mV o 1200 puntos en caso de que la resolución sea del orden de 10mV. Suponemos que tenemos uno de 10mV, entonces intentaremos girar el mayor ángulo posible.

Xptosptos

→

→

3500º108012000 X=315º

Pero si la resolución es de 10mV. entonces:

º360º10801200

→

→

Xptosptos

X=400ptos.

Obtener 400 puntos sería una buena medida, y encontrar un potenciómetro con sensibilidad de 1mV es difícil, aunque también influye en la sensibilidad la alimentación, que tiene pequeñas oscilaciones que provocan que el potenciómetro no tenga tan buena resolución.

4. Otra opción sería utilizar el potenciómetro de 10 vueltas, pero se ha

descartado debido al alto ángulo de giro requerido para conseguir bastantes valores y a que el mecanismo de recogida del cable sería bastante complicado de construir para obtener un alto ángulo, debido al poco movimiento del acelerador.

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2.5.2.2. Elección del potenciómetro y ángulo de giro.

Se utilizará un potenciómetro de 3 vueltas y estará alimentado con 12V, el motivo de elegir uno de 3 vueltas en vez de uno de 1 vuelta es que el de 3 vueltas marcha mejor que el de una vuelta, y su resolución aunque es también del orden de 10mV, si que es algo mejor que el de 1 vuelta.

El ángulo de giro del potenciómetro será en función del mecanismo que

se utilice, aunque ya se ha visto que es importante que el potenciómetro gira el máximo posible de grados para así obtener más puntos.

El máximo ángulo de giro que podrá girar será hasta alcanzar los 5

voltios;

Xvoltiosvoltios

→

→

5º108012 X=450º

2.5.3. Mecanismos.

A la hora de diseñar un mecanismo para medir la posición del pedal del acelerador, nos fijaremos en varios aspectos como pueden ser: Espacio disponible, precisión, coste y sencillez de construcción y montaje.

Se pensó en diferentes tipos de mecanismos y finalmente se eligió uno

de ellos el cual era el que mejor cumplía con las restricciones. A continuación se presentan los diferentes mecanismos en los que se

pensó.

2.5.3.1. Solución 1: Utilizando engranajes.

Figure 20: Engranajes.

Se utilizarán un par de engranajes, uno que gire solidario con el eje del

potenciómetro, de forma que ante cualquier giro del pedal, el potenciómetro empezará a medir y otro que gire solidario con el eje del pedal del acelerador. Al engranaje que gira con el potenciómetro le llamaremos piñón y al otro rueda. Sabiendo el ángulo máximo que tiene que girar el potenciómetro se puede obtener la relación de transmisión entre los dos engranajes y conocer todos los parámetros.

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Sabemos que el pedal gira 18,274º, es decir que la rueda giraría lo

mismo. Tenemos que conseguir que con ese giro del pedal podamos girar 450º del piñón. La relación de transmisión será por tanto de 24.62. Pero es probable que se presente el problema de espacio, debido a que para conseguir ese giro del piñón, el radio de la rueda deba ser muy grande y no se pueda montar.

Utilizando las siguientes ecuaciones se podría hallar el diámetro de los

engranajes en función del ángulo que queramos que gire el potenciómetro. Relación de transmisión: i

iww

=1

2

Mediante la relación entre omegas;

2211 zwzw ⋅=⋅ Se puede obtener una relación entre el numero de dientes. Y como el

número de dientes es Z =D/m. La relación de transmisión nos da también la relación de radios.

iDD

=2

1

Se elegirá un módulo y a partir de ahí probar que radios del piñón

vendrían mejor. Se sabe que la ecuación que relaciona estos parámetro es:

zmDp ⋅= Siendo: Dp = Diámetro primitivo. m = módulo, igual al cociente entre el paso circular y el número p. z = número de dientes. Y el valor del módulo se obtiene de la siguiente ecuación:

ZRpm

⋅⋅⋅

==ππ

π2

Como ya se dijo anteriormente, la relación de transmisión es muy

grande, por lo que el diámetro del piñón que gira solidario al potenciómetro deberá ser muy pequeño y el de la rueda muy grande. Los diámetros aproximados del piñón serán de entre 1 a 3cm, por lo que el diámetro de la rueda será de entre 12 a 36cms. Es decir el radio de la rueda estará

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comprendido entre 6 y 18cms. Pero la limitación del radio de la rueda es de 13cms. (por problemas de espacio). Así que la relación será por tanto menor.

Se plantea ahora otra opción mediante engranajes pero utilizando un

tren de engranajes. Utilización de un tren de engranajes. Con esta opción podemos conseguir reducir el diámetro de las ruedas y

lograr con ello no tener problemas de espacio. El mecanismo sería de la siguiente forma:

Figure 21: Tren de engranajes.

Tenemos las siguientes restricciones:

15321 =++ RRR (limitación de espacio)

1222 43 =⋅+⋅ RR (limitación de espacio) Y la relación entre w1 y w3 es:

24

31

1

3

RRRR

ww

⋅⋅

=

y como la relación de transmisión (i) es 450/18.274=24.62. (Se utilizará

una relación de 22) Obtenemos que la relación entre los radios son:

2224

31 =⋅⋅RRRR

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y despejando D3 y D2 en función de D1 y D4, obtendremos la relación entre los radios de la rueda y el piñón.

01561322122 1441

24 =+⋅−⋅+⋅⋅−⋅ RRRRR

Para esa relación determinada, y suponiendo un valor del diámetro del

piñón (D4) de 4cm. Los valores de los diámetros del resto de engranajes es de; D4 = 4cm. D3 = 8cm D1 = 16cm. D2 = 2cm. y conseguimos además que el potenciómetro tenga mayor giro, lo que

hará que sea mejor la medición de la mariposa. Definiremos ahora todos los parámetros de los engranajes:

Rueda D1 Piñón D2 Rueda D3 Piñón D4

Diámetro interior (mm) - - - 6,35 Diámetro primitivo (mm) 200 20 80 40

Módulo 1 1 1 1 Numero de dientes 200 20 80 40

Relación (i) - - - - Angulo del engranaje 20º - - 360º

Tabla 2: Parámetros del tren de engranajes.

El diámetro interior de D1, D2 y D3 está por definir, dependerá de los

rodamientos elegidos y del diámetro del eje de giro.

2.5.3.2. Solución 2: Poleas dentadas.

Esta solución es prácticamente inviable puesto que se requiere un gran espacio, y no se dispone de él. Paralelo al eje de giro del acelerador a una distancia de aproximadamente 2cms hay situada una barra perteneciente al chasis del vehículo, por lo que en caso de querer utilizar una polea, el radio de esta debería ser muy reducido, teniendo que utilizar un tren de engranajes después para la conexión con el potenciómetro, por lo que es mejor utilizar directamente la primera opción.

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Figure 22: Poleas.

Pero cabe la opción de que a la polea de mayor radio, que girará

solidaria con el acelerador se le realice un corte, dejando solo 60º por un lado y otros 60º por otro, de tal forma que se evite el choque con el chasis.

En el caso de este acelerador, la relación entre poleas será de 24:1, de

esta forma la polea pequeña girará 450º mientras que la grande solo gira 18.274º de forma se cumplirá que la polea grande tendrá un radio muy grande. mientras que la pequeña tendrá un radio muy pequeño. Solo queda mirar en los catálogos la disponibilidad de poleas de este tamaño, y si no las hubiera se buscaría otra relación, siendo esta de tal forma que la polea pequeña gire lo más próximo a 450º. La unión entre las dos poleas se realizará mediante una correa dentada, en la polea grande estará el final del tramo (Debido a que la polea no es enteriza) y en la pequeña girará completamente la correa. Para evitar que la correa esté suelta y no haya contacto total entre poleas y correa, se dispondrá de un tensador con lo que se conseguirá un ajuste completo.

2.5.3.3. Solución 3: Potenciómetro de desplazamiento lineal.

La utilización de un potenciómetro deslizante puede ser una buena opción, debido a la facilidad de montaje que conllevaría, se montaría en la barra del chasis que va paralelo a la dirección longitudinal del coche, de esta forma, al pisar el acelerador, habrá un tramo de alambre hasta el potenciómetro, y seguidamente se encontrarán los cables de conexión a la Unidad de Control Electrónico.

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Figure 23: Potenciómetro lineal.

La característica desfavorable de estos potenciómetros es que tienen

una vida útil bastante baja, no más de 100000 ciclos, por lo que se estropearían muy rápido y habría que cambiarlos en un corto espacio de tiempo. Aún así se tendrá en cuenta por la facilidad de montaje.

2.5.3.4. Solución 4: Mecanismo instalado anteriormente.

Por último este mecanismo empezó a tomarse como la mejor solución por las siguientes razones:

1. La primera solución es bastante difícil de montar, y los engranajes

siempre tienen una cierta holgura, lo que hace que se pierda precisión.

2. La solución del potenciómetro deslizante está casi descartada, porque antes se haría la que está instalada ahora, y en el caso de que esta no saliese adelante, se optaría por hacer la de las poleas dentadas.

Se realizaron cálculos para mejorar la solución que está instalada ahora,

con la idea de comparar el caso instalado anteriormente y el mejor caso posible, ver si el anterior es bueno, y si no lo es, mejorarlo para obtener una buena solución. En el anejo de cálculos 1 se encuentran las soluciones tanto del caso instalado ahora como de la mejor solución.

Por ello se tomará la solución instalada anteriormente y se realizaran los

cambios necesarios. En el anejo de cálculos 1 se muestra que esta solución es prácticamente lineal.

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Figure 24: Vista del nuevo mecanismo.

Esta solución funciona del siguiente modo: En la figura se puede observar el mecanismo utilizado, donde en el

interior de la caja verde claro, donde marca la flecha, va instalado tanto el mecanismo que hace girar al potenciómetro como el mismo potenciómetro.

El mecanismo es sencillo, se trata de una polea sobre la que se arrolla el

cable azul (ver figura 24), y al girar esta polea también gira el potenciómetro, por lo que estaría midiendo. El objeto que hace que el cable se arrolle sobre la polea es un muelle que trabaja a torsión. En la siguiente figura se muestra un esquema del conjunto.

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Figure 25: Mecanismo de giro del potenciómetro.

El muelle tiende a desenrollarse, por eso cuando el pedal se mueve, el

cable se va enrollando en la polea. El conjunto dibujado en ProE se muestra en la siguiente figura.

Figure 26: Muelle, polea, rodamiento y potenciómetro.

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Figure 27: Mecanismo completo.

Puesto que la solución tomada es la que estaba instalada anteriormente,

el mecanismo para sujetar el potenciómetro será el mismo, aunque sufrirá ligeros cambios para conseguir la mejor solución del mecanismo.

En el anejo de cálculos 1 se pueden apreciar los cálculos realizados

para encontrar la mejor solución del mecanismo, y en los planos se puede ver el nuevo diseño.

2.5.4. Linealidad.

En el anejo de cálculos 1 se encuentra la demostración de linealidad del mecanismo utilizado. Para el ángulo de giro del pedal, el mecanismo es prácticamente lineal con una error mínimo.

2.5.5. Tensión de alimentación y ángulo de giro.

En resumen la tensión de alimentación del potenciómetro será de 12 voltios, y el ángulo que girará será de 450º, con lo que se conseguirá un total de 500 puntos.

2.6. Resumen y conclusiones.

Finalmente se expondrán los parámetros de la solución utilizada. En primer lugar el potenciómetro utilizado será de 3 vueltas (anejo de

cálculos 1) y alimentado a 12 voltios, obteniéndose unos 500 ptos. Para ello, el mecanismo utilizado será el que se estaba utilizando anteriormente, pero maximizandolo para apurar el fondo de escala del Data Logger.

Por otro lado, la polea del mecanismo de la Figure 26 reducirá su radio a

la mitad para realizar mayor giro. Para conseguir los 450º de giro debería

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reducirse de diámetro 24 (es el que tiene ahora) a 12. En caso de no poderse conseguir esta reducción, el potenciómetro girará menos y no se aprovecharan todos los puntos posibles.

De los tres cables que salen del potenciómetro dos serán de

alimentación (12V y GND) y el tercero será de señal, que irá directamente a la tarjeta de adquisición de datos.

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Capítulo 3. Actuación.

3.1. Motores seleccionados.

3.1.1. Introducción.

En este capítulo se intentará elegir un actuador que cumpla los requisitos para mover la mariposa. Básicamente tendrá la misma función que el cable del acelerador que une pedal y motor, pero en este caso se elimina la conexión mecánica, y la mariposa será movida por él actuador.

Previo a la elección del actuador se hablará de los tipos de actuadores

que fueron tenidos en cuenta para ser utilizados. Pero antes de entrar en materia sería conveniente dar una buena

definición de mariposa: En el motor de gasolina, es el mecanismo que ajusta la cantidad de aire que entra el motor. Puede haber una para todos los cilindros o una para cada cilindro (más raramente), pero todas ellas tienen un funcionamiento similar. Es una pieza redonda y plana (como una galleta) con un eje central sobre el que gira. Cuando está cerrada obtura el paso de aire; para abrirse, gira sobre el eje; cuando está completamente abierta, queda de perfil y prácticamente no opone resistencia al paso de aire. La válvula está conectada al pedal del acelerador mediante un cable, o bien tiene un motor eléctrico que la abre o cierra según las órdenes de la centralita. También se utiliza la válvula de mariposa en sistemas de admisión variable, bien para cerrar uno de los dos conductos de admisión en motores de cuatro válvulas por cilindro, o bien en el colector de admisión para variar volumen o área de paso del aire.

3.1.2. Motores eléctricos.

Se denomina así al motor capaz de transformar la energía eléctrica que recibe almacenada en una serie de baterías en energía mecánica. Básicamente constan de dos partes, una fija denominada estator, y otra móvil respecto a esta última denominada rotor. Ambas están realizadas en material ferromagnético, y disponen de una serie de ranuras en las que se alojan los hilos conductores de cobre que forman el devanado eléctrico. En todo motor eléctrico existen dos tipos de devanados: el inductor, que origina el campo magnético para inducir las tensiones correspondientes en el segundo devanado, que se denomina inducido, pues en él aparecen las corrientes eléctricas que producen el par de funcionamiento deseado.

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3.1.2.1. Motor de corriente continua.

3.1.2.1.1. Introducción.

Funcionan con corriente continua. En estos motores, el inductor es el estator y el inducido es el rotor. Fueron los primeros en utilizarse en vehículos eléctricos por sus buenas características en tracción y por la simplicidad de los sistemas de control de la electricidad desde las baterías. Presentan desventajas en cuanto al mantenimiento de algunas de sus piezas (escobillas y colectores) y a que deben ser motores grandes si se buscan potencias elevadas, pues su estructura (y en concreto el rozamiento entre piezas) condiciona el límite de velocidad de rotación máxima.

La mayoría las máquinas de corriente continua son semejantes a las

máquinas de corriente alterna ya que en su interior tienen corrientes y voltajes de corriente alterna. Las máquinas de corriente continua tienen corriente continua sólo en su circuito exterior debido a la existencia de un mecanismo que convierte los voltajes internos de corriente alterna en voltajes corriente continua en los terminales. Este mecanismo se llama colector, y por ello las máquinas de corriente continua se conocen también como máquinas con colector.

3.1.2.1.2. Principio de funcionamiento

En un motor de corriente continua con escobillas, se obtiene par motor gracias a la interacción del campo magnético inductor, estacionario, y la intensidad del arrollamiento inducido giratorio. Campo y corriente eléctrica se mantienen siempre en la misma posición relativa gracias al mecanismo de conmutación formado por el colector de delgas y las escobillas. En motores de pequeña potencia suele obtenerse la excitación mediante imanes permanentes. En este caso, solo se dispone de dos terminales para el control y la alimentación del motor. Las relaciones básicas electromecánicas son en este caso las siguientes:

Ω⋅=⋅=

KEiKTm

El hecho de tener control directo sobre el par mediante la intensidad de

inducido, y sobre la velocidad a través de la tensión, convierte a este motor en el modelo de referencia para la regulación de velocidad. No obstante, la alimentación del inducido a través de las escobillas y el colector presenta muchos inconvenientes, hasta el punto que en algunos casos se hace inviable su utilización.

3.1.2.1.3. Partes básicas de las máquinas de corriente continua.

La máquina de corriente continua consta básicamente de las partes siguientes:

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Inductor: Es la parte de la máquina destinada a producir un campo magnético,

necesario para que se produzcan corrientes inducidas, que se desarrollan en el inducido.

El inductor consta de las partes siguientes: 1. Pieza polar: Es la parte del circuito magnético situada entre la culata

y el entrehierro, incluyendo el núcleo y la expansión polar. 2. Núcleo: Es la parte del circuito magnético rodeada por el devanado

inductor. 3. Devanado inductor: es el conjunto de espiras destinado a producir

el flujo magnético, al ser recorrido por la corriente eléctrica. 4. Expansión polar: es la parte de la pieza polar próxima al inducido y

que bordea al entrehierro. 5. Polo auxiliar o de conmutación: Es un polo magnético

suplementario, provisto o no, de devanados y destinado a mejorar la conmutación. Suelen emplearse en las máquinas de mediana y gran potencia.

6. Culata: Es una pieza de sustancia ferromagnética, no rodeada por devanados, y destinada a unir los polos de la máquina.

Inducido: Es la parte giratoria de la máquina, también llamado rotor. El inducido consta de las siguientes partes: 1. Devanado inducido: es el devanado conectado al circuito exterior

de la máquina y en el que tiene lugar la conversión principal de la energía

2. Colector: es el conjunto de láminas conductoras (delgas), aisladas unas de otras, pero conectadas a las secciones de corriente continua del devanado y sobre las cuales frotan las escobillas.

3. Núcleo del inducido: Es una pieza cilíndrica montada sobre el cuerpo (o estrella) fijado al eje, formada por núcleo de chapas magnéticas. Las chapas disponen de unas ranuras para alojar el devanado inducido.

Escobillas: Son piezas conductoras destinadas a asegurar, por contacto deslizante,

la conexión eléctrica de un órgano móvil con un órgano fijo. Entrehierro: Es el espacio comprendido entre las expansiones polares y el inducido;

suele ser normalmente de 1 a 3 mm, lo imprescindible para evitar el rozamiento entre la parte fija y la móvil.

Cojinetes: Son las piezas que sirven de apoyo y fijación del eje del inducido.

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Diagrama de una máquina de corriente continua. Los componentes de la máquina de corriente continua se pueden

apreciar claramente en la siguiente figura.

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 101112

La parte de 1 a la 5 forman el inductor. En co

designan por polo inductor. La parte 6 constituyearrollado un conductor de cobre formando el arrollam

Alrededor de los núcleos polares, va arrollan

arrollamiento de excitación (8). Análogamente cadaconmutación lleva un arrollamiento de conmutación (el conmutador o colector, que esta constituido por vasí, formando un cuerpo cilíndrico.

El arrollamiento del inducido está unido por co

del colector; inducido y colector giran conjuntamentcolector rozan unos contactos a presión mediante unde contacto se llaman escobillas. El espacio libre eninducido se llama entrehierro.

3.1.2.2. Servomotor.

3.1.2.2.1. Introducción.

Un servomotor (ver Figure 28) es un dispositival que llegan tres cables. Contiene un pequeño motoun potenciómetro de un valor aproximado de 5Kintegrado.

Culata Núcleo polar Pieza polar Núcleo de polo auxiliar Pieza polar de polo auxiliarInducido Arrollado del inducido Arrollado de excitación Arrollado de conmutación

. Colector

. Escobillas positivas

. Escobillas negativas

njunto las partes 2 y 3 se el inducido, al que va

iento del inducido.

do, en forma de hélice, el núcleo de los polos de

9). La parte 10 representa rias láminas aisladas entre

nductores con las laminas e. Sobre la superficie del os muelles. Dichas piezas tre las piezas polares y el

o en forma de caja negra r, una caja de engranajes, y un pequeño circuito

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Figure 28: Servomotor.

Este motor eléctrico en miniatura ataca a la magnitud que se ha de

controlar: el giro y posicionamiento del eje del motor. A su vez, el movimiento de rotación angular del motor modifica la posición del potenciómetro interno, que controla un monoestable también integrado en el servomotor.

El eje del motor puede ser girado hasta una posición angular especifica

mediante una señal de control. Mientras se mantenga esta señal de control, el servomotor mantendrá la posición angular del eje. Si la señal de control cambia, también cambia la posición de eje.

3.1.2.2.2. Funcionamiento.

La velocidad del motor, así como la dirección del movimiento de los «servos» se controla mediante servo-pulsos modulados en amplitud. El servomotor convierte los servo-pulsos en un movimiento mecánico. La magnitud del giro del eje del «servo» es proporcional a la anchura del pulso que llega por la línea de control. Este tipo de pulsos está formado por una señal digital que se genera aproximadamente cada 20 milisegundos. La anchura de estos pulsos varía en función del servomotor usado, pero para simplificar tomaremos un mínimo de 1 ms. a un máximo de 2 ms.

Aunque la relación anchura del pulso y la posición del eje no está

estandarizada, lo normal es que trenes de pulsos de 1,5 ms. lleven el eje del servo al centro de su rango, anchura neutra. Si la anchura del pulso es de 1 ms, el servomotor se posiciona en el extremo izquierdo, mientras que si el pulso tiene una anchura de 2 ms la posición del «servo» es el extremo opuesto. Esta técnica se conoce como modulación por anchura de pulso, en ingles PWM

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(Pulse Width Modulation). En la Figure 29 es posible apreciar ejemplos del posicionamiento del eje del servo dependiendo del ancho del pulso, donde se logra 0º, 90º y 180º con anchos de pulso de 0.5, 1.5 y 2.5 [ms] respectivamente.

Figure 29: Funcionamiento de un servo mediante pulsos.

El servomotor trabaja comparando la anchura del pulso de entrada con

la anchura del pulso producido por el timer interno. A su vez, el período del timer interno es controlado por el potenciómetro acoplado al eje del servo». La diferencia entre la anchura del pulso de entrada y la anchura del pulso interno se utiliza como señal de error. La lógica del «servo» se encarga de determinar la dirección en la que ha de girar el motor para minimizar dicho error. Para ello activa los drivers de salida apropiados. El motor girará modificando la posición del potenciómetro de retroalimentación.

Cuando llega el siguiente pulso se vuelve a realizar la comparación,

comprobando de forma continua la posición del eje y realizando también constantemente las correcciones necesarias en la posición del mismo.

Como se ha podido apreciar, se trata de un bucle de retroalimentación

negativa. Si la posición del potenciómetro no se iguala con la posición deseada del eje, el motor se moverá hacia adelante o hacia atrás, hasta que la posición del potenciómetro sea equivalente a la posición deseada del eje. En este momento la corriente del motor se apaga.

La precisión al posicionarse depende tanto de la precisión del

potenciómetro como de la precisión de la anchura de los pulsos que llegan al motor. La mayoría de los modelos de servomotores consiguen una resolución de 0,5 grados. Cuando se reduce la señal de error a un nivel aceptable, el eje del «servo» se encuentra en la posición correcta. En ese momento la señal de error suele ser de unos 5µs, diferencia entre el ancho del pulso de la señal de entrada y el ancho del pulso de la señal interna. Esto se corresponde con una

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fracción de grado del recorrido del servomotor. Al ser el cero demasiado crítico, cuando el error está en este rango, conocido como zona muerta o guard band, el «servo» apaga los drivers del motor. Si la señal de error no está por debajo de estos 5µs, la electrónica interna continuará intentando cancelar el minúsculo error, haciendo girar el motor atrás o adelante en un movimiento conocido como hunting. La electrónica interna tiene como misión mantener la anchura de los pulsos del monoestable interno igual a la anchura de los pulsos de entrada.

Debido a que hay una relación fija entre el ángulo de rotación del

potenciómetro y la anchura del pulso interno, la magnitud de rotación del «servo» se puede controlar directamente con la anchura de los pulsos aplicados. En conclusión, el circuito electrónico integrado en el motor convierte la anchura del pulso de entrada en una posición determinada del eje de salida.

3.1.2.2.3. Esquema de control

Hay dos formas de contemplar este tipo de esquemas de control. Desde el punto de vista del controlador, es un sistema de bucle abierto. No existe retroalimentación entre el servomotor y el sistema que genera los pulsos. Desde el punto de vista del nivel local (interior del «servo») es un sistema de bucle cerrado. La electrónica del servomotor está constantemente tratando de eliminar la diferencia entre los comandos y la posición actual. Esta doble personalidad es una característica muy importante, ya que el «servo» necesita una atención mínima por parte del controlador, pero a su vez de forma constante resiste activamente corrigiendo las influencias externas que pueden llevar el eje lejos de la posición ordenada.

Aunque los «servos» son los posicionadores casi ideales, son también

fáciles de modificar para aplicaciones especiales. Por ejemplo, se puede alterar el circuito de retroalimentación para modificar el rango de giro. La mayoría de los servomotores se han diseñado para un viaje de unos 90º ó 180º, pero en muchos casos esta limitación puede superarse.

Cuando se necesite mayor cantidad de giro de la que el fabricante ha

dotado al «servo», la mejor solución es actuar modificando el potenciómetro del circuito de retroalimentación.

3.1.2.2.4. Conexiones.

Los servomotores tienen tres cables: el de masa (-),el de alimentación (+) y el de la señal de control. El positivo se conecta a + 5 y el de señal de control a una fuente de pulsos variables entre 1 y 2 milisegundos de duración que se repiten con una frecuencia de unos 12-20ms. Los cables de los «servos» siguen casi siempre el mismo código de colores; por ejemplo en los Futaba el color rojo (V+), negro (masa) y blanco (señal de control). Los fabricantes JR y Graupner colocan el cable de la señal de control de color naranja, mientras que algunos «servos» Simprop tienen el cable de masa de color azul. Dado que existen algunas pequeñas diferencias entre las distintas marcas de servos, en la Tabla 3 están indicados las características técnicas de varias marcas que comercializan este producto.

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Duración del pulso (ms) Color de los cables

Fabricante Mínima (0º)

Neutral (90º)

Máxima (180º)

FREC (Hz) Positivo Negativo Control

Futaba 0.9 1.5 2.1 50 Rojo Negro Blanco Hitec 0.9 1.5 2.1 50 Rojo Negro Amarillo

Graupner/JR 0.8 1.5 2.2 50 Rojo Marrón Naranja Multiplex 1.05 1.6 2.15 50 Rojo Negro Amarillo

Robbe 0.65 1.3 1.95 50 Rojo Negro Blanco Simprop 1.2 1.7 2.2 50 Rojo Azul Negro

Tabla 3: Características técnicas de algunas marcas de servo.

3.1.2.2.5. Ventajas

Entre las ventajas que aporta el empleo de un «servo» están las siguientes: poco peso, alta potencia (par de fuerza), fiabilidad, fortaleza (los «servos» y su electrónica normalmente sobreviven a choques y funcionan en ambientes de alta temperatura, suciedad, humedad y vibraciones), simplicidad, versatilidad y bajo coste.

En las tiendas de modelismo pueden encontrarse muchos tipos de

servomotores de las casas Futaba, FMA, Multiplex, Sanwa, etc.

3.1.2.3. Motores paso a paso

3.1.2.3.1. Introducción.

Un motor paso a paso, como todo motor, es en esencia un conversor electromecánico, que transforma energía eléctrica en mecánica. Mientras que un motor convencional gira libremente al aplicarle una tensión, el motor paso a paso gira un determinado ángulo de forma incremental (transforma impulsos eléctricos en movimientos de giro controlados), lo que le permite realizar desplazamientos angulares fijos muy precisos (pueden variar desde 0,50º hasta unos 90º).

Los motores, tanto de corriente continua como de corriente alterna, son

muy efectivos en muchas labores cotidianas desde la tracción de grandes trenes hasta el funcionamiento de lavarropas. Pero debido a problemas tales como la, inercia mecánica o su dificultad para controlar su velocidad, se desarrollaron otro tipo de motores cuya característica principal es la precisión de giro.

Este tipo de motores es ideal cuando lo que queremos es

posicionamiento con un elevado grado de exactitud y/o una muy buena regulación de la velocidad.

Sus principales aplicaciones se pueden encontrar en robótica, tecnología

aeroespacial, control de discos duros, flexibles, unidades de CDROM o de DVD

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e impresoras, en sistemas informáticos, manipulación y posicionamiento de herramientas y piezas en general.

Están constituidos esencialmente por dos partes: 1. Estator: parte fija construida a base de cavidades en las que van

depositadas las bobinas. 2. Rotor: parte móvil construida mediante un imán permanente. Este conjunto va montado sobre un eje soportado por dos cojinetes que

le permiten girar libremente. La precisión y repetitividad que presentan esta clase de motores lo

habilitan para trabajar en sistemas abiertos sin realimentación.

3.1.2.3.2. Principio de funcionamiento

Aun basado en el mismo fenómeno que los motores de corriente continua, el principio de funcionamiento de los motores paso a paso es más sencillo que cualquier otro tipo de motor eléctrico.

Los motores eléctricos, en general, basan su funcionamiento en las

fuerzas ejercidas por un campo electromagnético y creadas al hacer circular una corriente eléctrica a través de una o varias bobinas. Si dicha bobina, generalmente circular y denominada estator, se mantiene en una posición mecánica fija y en su interior, bajo la influencia del campo electromagnético, se coloca otra bobina, llamada rotor, recorrida por una corriente y capaz de girar sobre su eje. Al excitar el estator, se crearan los polos N-S, provocando la variación del campo magnético formado. La respuesta del rotor será seguir el movimiento de dicho campo (tenderá a buscas la posición de equilibrio magnético), es decir, orientará sus polos NORTE-SUR hacia los polos SUR-NORTE del estator, respectivamente. Cuando el rotor alcanza esta posición de equilibrio, el estator cambia la orientación de sus polos y se tratará de buscar la nueva posición de equilibrio. Manteniendo dicha situación de manera continuada, se conseguirá un movimiento giratorio y continuo del rotor, produciéndose de este modo el giro del eje del motor, y a la vez la transformación de una energía eléctrica en otra mecánica en forma de movimiento circular.

Al número de grados que gira el rotor, cuando se efectúa un cambio de

polaridad en las bobinas del estator, se le denomina "ángulo de paso". Existe la posibilidad de conseguir una rotación de medio paso con el

control electrónico apropiado, aunque el giro se hará con menor precisión. Los motores son fabricados para trabajar en un rango de frecuencias determinado por el fabricante, y rebasado dicho rango, provocaremos la pérdida de sincronización. Los motores paso a paso, se controlan por el cambio de dirección del flujo de corriente a través de las bobinas que lo forman:

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1. Controlar el desplazamiento del rotor en función de las tensiones que se aplican a las bobinas, con lo que podemos conseguir desplazamientos alante y atrás.

2. Controlar el número de pasos por vuelta. 3. Controlar la velocidad del motor. Además estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados

en una posición (si una o más de sus bobinas está energizada) o bien totalmente libres (si no circula corriente por ninguna de sus bobinas).

Según la construcción de las bobinas del estator, dos tipos de motores

paso a paso: 1. Unipolares: se llaman así porque la corriente que circula por los

diferentes bobinados siempre circula en el mismo sentido. Tienen las bobinas con un arrollamiento único

2. Bipolares: la corriente que circula por los bobinados cambia de sentido en función de la tensión que se aplica. Por lo que un mismo bobinado puede tener en uno de sus extremos distinta polaridad (bipolar). Tienen las bobinas compuestas por dos arrollamientos cada una.

Algunos motores tienen los bobinados de tal manera que en función de

puentes pueden convertirse en unipolares o bipolares.

3.1.2.3.3. Control de motores paso a paso

Los motores de paso a paso funcionan mediante impulsos; el eje gira en cierto ángulo, denominado paso, con cada impulso de excitación de las bobinas. Dado sus características de funcionamiento, se presentan muy bien para ser controlados digitalmente.

El control de este tipo de motores se basa en un generador de

secuencias y el correspondiente amplificador de corriente de salida. Con cada impulso de clock, el eje de motor gira un paso. Existen motores con ángulo de paso que van desde menos de 0.5 grados hasta 90 grados. Los motores paso a paso son muy utilizados en impresoras, servomecanismos, máquinas-herramienta, robótica, etc.

Existen tres métodos para el control de este tipo de motores, según las

secuencias de encendido de bobinas. Paso simple: Esta secuencia de pasos es la más simple de todas y consiste en activar

cada bobina una a una y por separado, con esta secuencia de encendido de bobinas no se obtiene mucha fuerza ya que solo es una bobina cada vez la que arrastra y sujeta el rotor del eje del motor.

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Figure 30: Posiciones para paso simple.

Paso doble: Con el paso doble activamos las bobinas de dos en dos con lo que

hacemos un campo magnético más potente que atraerá con mas fuerza y retendrá el rotor del motor en el sitio. Los pasos también serán algo más bruscos debidos a que la acción del campo magnético es más poderosa que en la secuencia anterior.

Figure 31: Posiciones para paso doble.

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Medio Paso: Combinando los dos tipos de secuencias anteriores podemos hacer

moverse al motor en pasos más pequeños y precisos y así pues tenemos el doble de pasos de movimiento para el recorrido total de 360º del motor.

Figure 32: Posiciones para medio paso.

3.1.2.3.4. Parámetros de los motores paso a paso

Desde el punto de vista mecánico y eléctrico, es conveniente conocer el significado de algunas de las principales características y parámetros que se definen sobre un motor paso a paso:

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1. Par dinámico de trabajo ( Working Torque): Depende de sus características dinámicas y es el momento máximo que el motor es capaz de desarrollar sin perder paso, es decir, sin dejar de responder a algún impulso de excitación del estator y dependiendo, evidentemente, de la carga.

2. Par de mantenimiento (Holding Torque): Es el par requerido para desviar, en régimen de excitación, un paso el rotor cuando la posición anterior es estable ; es mayor que el par dinámico y actúa como freno para mantener el rotor en una posición estable dada

3. Para de detención ( Detention Torque): Es una par de freno que siendo propio de los motores de imán permanente, es debida a la acción del rotor cuando los devanados del estator están desactivados.

4. Angulo de paso ( Step angle ): Se define como el avance angular que se produce en el motor por cada impulso de excitación. Se mide en grados, siendo los pasos estándar más importantes los siguientes:

Grados por impulso de excitación Nº de pasos por vuelta

0,72º 500 1,8º 200

3,75º 96 7,5º 48 15º 24

5. Número de pasos por vuelta: Es la cantidad de pasos que ha de

efectuar el rotor para realizar una revolución completa; evidentemente es donde NP es el número de pasos y α el ángulo de paso.

α360

=NP

6. Frecuencia de paso máximo (Maximum pull-in/out): Se define

como el máximo número de pasos por segundo que puede recibir el motor funcionando adecuadamente.

7. Momento de inercia del rotor: Es su momento de inercia asociado que se expresa en gramos por centímetro cuadrado.

8. Par de mantenimiento, de detención y dinámico: Definidos anteriormente y expresados en miliNewton por metro.

3.1.2.4. Motores sin escobillas (Brushless)

3.1.2.4.1. Funcionamiento.

A modo de resumen, se puede decir que los motores “sin escobillas” son como los motores “con escobillas” pero del revés. Es decir el rotor, la parte móvil, está compuesto por el eje y los imanes permanentes. En la carcasa o

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estátor es donde se encuentra el bobinado del hilo conductor, que no se mueve. En los motores sin escobillas, la corriente eléctrica pasa por el hilo conductor que está bobinado en la carcasa y produce el campo electromagnético que hace girar a los imanes permanentes y por tanto al eje al que están unidos. Por ello ni las escobillas ni el conmutador son necesarios, ya que la corriente va al estátor. Además, en los motores sin escobillas no existen las tres delgas que eran las que obligaban al rotor a moverse cualquiera que fuera su posición. Por ello en los motores sin escobillas es el variador electrónico el que controla en qué posición se encuentra el rotor para darle la corriente temporizada adecuada. Esto se realiza o bien mediante sensores instalados en el motor o a través de la respuesta que obtiene cuando envía una corriente lineal al motor.

Debido a esto los variadores electrónicos de los motores sin escobillas

han de ser mucho más complejos que los usados en motores con escobillas, ya que han de procesar la información del funcionamiento del motor a tiempo real.

3.1.2.4.2. Tipos de motores sin escobillas

Los dos grandes grupos de motores son los que utilizan sensores y los que no. El variador electrónico ha de tener información de algunos parámetros del motor, como la posición de los imanes para que así pueda enviar la electricidad a la bobina adecuada, en qué sentido está girando el motor, y cuanto.

Los motores que llevan sensores se denominan de efecto tipo Hall y sus

defensores dicen que son necesarios para que el motor tenga un buen par y una buena sincronización. El variador controlará de esta forma la excitación del bobinado electromagnético. Un buen control de la temporización es crítico para el rendimiento y eficiencia del motor. En general el motor con sensores reacciona más rápido, ya que los sensores incrementan el par motor en la salida y la sincronización es mejor en situaciones de alta carga. Los sensores están unidos a la parte trasera del motor y envían señales desde éste al variador. El inconveniente de los sensores es que pueden fallar, pero permiten saber si el motor está girando. Esto es una ventaja, ya que si se bloqueara el motor, se evitarían daños a él, a la batería y al variador.

En el caso de los motores sin sensores, los variadores envían impulsos eléctricos lineales y los monitorizan, pero no saben en qué sentido gira el motor, solo saben si lo hace y lo rápido que gira. Los variadores sin sensores envían normalmente tres impulsos, comprobando que los tres bobinados funcionan correctamente, espera a que vuelvan y entonces empieza a funcionar de manera normal. Esto se hace al arrancar el motor y a bajas r.p.m..

Como consecuencia de los dos tipos de motores, también hay dos tipos de variadores. Uno es para los motores con sensores y el otro para los que no llevan sensores. Un variador sin sensor es más polivalente, ya que puede

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usarse también con motores con sensores, simplemente ignora las señales. Por el contrario un variador con sensor solo podrá trabajar con motores con sensores y además han de estar adaptados mutuamente. No parece que un tipo de motor tenga ventajas indudables sobre el otro, ya que los fabricantes no se han decidido de manera unánime por uno u otro tipo.

3.1.2.4.3. Ventajas e inconvenientes

En los motores con escobillas la conmutación se hace mecánicamente a través del contacto entre el inducido y las escobillas.

Este sistema es muy poco eficiente y el rozamiento y la resistencia

eléctrica provocan que haya una gran pérdida de energía que se transforma en calor. Además esto supone una limitación al número máximo de r.p.m. de los motores, ya que a elevadas r.p.m. las escobillas rebotarían. Para evitarlo serían necesarios muelles más rígidos y esto crearía a su vez más fricción y frenaría el giro.

En los motores sin escobillas la conmutación se controla de manera

electrónica mediante el variador de velocidad, por lo que no se produce rozamiento mecánico ni pérdidas de energía y se consigue que los motores sin escobillas tengan una eficiencia muy superior, se habla de un 90%, frente a un 60% de los motores con escobillas. Debido a esto los motores sin escobillas pueden alcanzar mucha más r.p.m. y con mucho más par, hasta cuatro o cinco veces más que los motores con escobillas, y a la vez con un ahorro de energía de hasta el 30 %. Además el calentamiento del motor es mínimo.

En los motores sin escobillas la masa que gira es menor, casi la mitad, por lo que aceleran más rápidamente. Esto se debe a que el rotor lleva los imanes, que son menos pesados en estos motores que el bobinado en los clásicos. Por ello el funcionamiento es además más suave al reducirse las vibraciones. Al no haber chisporroteo eléctrico debido al roce de las escobillas con el conmutador, se eliminan las interferencias por el "ruido" eléctrico que podrían afectar al equipo de radio. Tampoco son necesarios ni los condensadores soldados al motor ni el diodo Schottky.

En los motores con escobillas hay que realizar mantenimientos

periódicos; nuevas escobillas, muelles, desgaste del conmutador y mucho tiempo dedicado a las labores de mantenimiento Por el contrario, en los motores sin escobillas el mantenimiento es mínimo, ya que al no tener ni estas ni conmutador, el mantenimiento es casi inexistente, solo sería necesario la limpieza y lubricado de los rodamientos. Adicionalmente, el concepto de los "sin escobillas" permiten fabricar motores totalmente cerrados, protegiéndolos del polvo.

Los motores sin escobillas son más sencillos y por ello más fiables: no llevan ni las escobillas, ni guías de escobillas, ni conmutador, ni muelles. Es decir menos mangas perdidas por culpa de fallos mecánicos del motor.

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Además el peso de esos motores puede ser de hasta 50 gramos menos que los con escobillas.

Por otra parte y gracias al control ejercido por el variador electrónico,

que es de hecho un microprocesador digital, es posible regular el par y las r.p.m. e igualar las prestaciones de los motores.

3.1.3. Comparación entre los diferentes motores.

En la siguiente tabla se presentan las ventajas e inconvenientes de los motores seleccionados:

A favor En contra

Corriente continua

Fácil de manejar. Controlable con PWM. Cualquier valor de par y

velocidad con alta tensión. Reversible mediante los

muelles del carburador en caso de que algo se estropee. Resolución alta.

Necesidad de una etapa reductora. Pero que no lo haga reversible. Máximo par encontrado a

12V es de 0.5Nm pero consume mucha intensidad. Uno que consuma poca y alto par sería de 10W y 0.03Nm.

Servos

Es un motor de corriente continua con etapa reductora y sensor de posicionamiento. Controlable con PWM. Necesidad de un circuito driver. Altos valores de par con baja

tensión. Incluyen un sensor de posición. Son precisos. Resolución alta.

Irreversible debido a la etapa reductora. Necesidad de un circuito

alternativo de seguridad para que funcione en caso de fallo.

Paso a Paso

Fáciles de manejar debido a que tienen una electrónica asociada muy comercial. Alto par con 12V de

alimentación.

Tienen como resolución, máxima 1,8º. Necesidad de etapa

reductora, para obtener mejor resolución. ¿irreversibilidad? Se sobrecalientan

funcionando de manera continua.

Brushless

Alto par sin necesidad de etapa reductora con alta tensión Alta velocidad de respuesta. Resolución alta. Mas rapidez de disipación del

calor. Menor inercia del rotor.

Dificultad para encontrar motores con baja tensión y alto par. Necesidad de una

centralita electrónica que lo gobierne, que es de complicada de manejar.

Tabla 4: Ventajas e inconvenientes de los motores seleccionados.

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3.2. Mediciones.

3.2.1. Toma de mediciones.

Antes de comenzar a plantear cualquier diseño del accionamiento, es fundamental el conocimiento de dos magnitudes del carburador:

1. Ángulo girado por las mariposas. 2. Par necesario para mover las mismas. Para poder realizar estas mediciones, el laboratorio disponía de un

segundo conjunto de motor idéntico al del vehículo Car-Cross, donde poder realizar las mediciones necesarias evitando así la ardua tarea de desmontar cualquier pieza del vehículo. Además de tenerlo siempre dispuesto para cualquier prueba.

El par para mover las mariposas será de gran utilidad en caso de que a

la hora de diseñar el mecanismo y elegir actuador se opte por no modificar ningún elemento del motor, es decir, los resortes (son los encargados del retorno de la mariposa a cero). En caso de querer prescindir de estos resortes, el par no nos servirá de nada, puesto que las mariposas se moverán con total libertad, tanto hacia un lado como a otro, sin oponer resistencia alguna.

A la hora de tomar mediciones se hicieron dos ensayos, con los

siguientes objetos: 1. Dinamómetro. 2. Sensor de fuerza.

3.2.2. Ángulo girado por las mariposas. Para poder calibrar el actuador de forma que no actúe en balde

haciendo esfuerzos innecesarios que pueden acabar quemándolo, se necesita saber exactamente el ángulo que gira la mariposa.

El problema estriba en la dificultad para diseñar un mecanismo que mida

exactamente el ángulo girado. Como se puede observar en la Figure 33 la mejor opción sería instalar un mecanismo en el mismo eje de la mariposa, pero el inconveniente está en que no se puede desmontar el eje, y hacer un agujero podría acarrear problemas en el futuro, es por ello por lo que la primera medida obtenida se obtuvo de manera experimental, se hizo una marca en el eje cuando la mariposa estaba totalmente cerrada y se hizo otra cuando estaba totalmente abierta, el resultado fue que el ángulo girado era de aproximadamente 80º.

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Figure 33: Eje de la mariposa.

Más adelante se diseño otro mecanismo rudimentario pero que tiene

buena precisión, el objeto consistía en medir con un potenciómetro el ángulo girado. Esto se haría uniendo una polea con el potenciómetro y mediante un cable unir esta polea con la de la mariposa. Se alimentó el potenciómetro con 5 voltios y en el polímetro se observaba los valores que este marcaba y se apuntaba. Los valores interesantes eran los siguientes:

Grado de apertura Voltaje Ángulo

Potenciómetro y mariposa a 0º 1,2mV 0º Mariposa abierta al máximo. 0,41V -

Potenciómetro abierto al máximo. 5V 1080º

Tabla 5: Ángulo de giro.

Mediante una sencilla regla de tres, se obtuvo el valor del ángulo cuando

el voltaje es de 0,41 voltios.

º41.0º10805XV

V→

→ X=88,56º

Pero no olvidemos que la polea que gira solidaria con el potenciómetro y

la polea de la mariposa son de distinto diámetro. La primera es de 24mm de diámetro y la segunda de 28mm. Por tanto el ángulo será:

siendo X= 75,91º 28º24º56,88 ×=× X En la Figure 34 se observa el conjunto completo del mecanismo

utilizado.

Memoria______________________________________________________________ 52

Figure 34: Medidor del ángulo de giro.

En el anejo de cálculos 2 se encuentran los operaciones realizadas para

la medición del ángulo de giro de la mariposa.

3.2.3. Par necesario para mover las mariposas. Se realizaran dos mediciones con dos aparatos diferentes: Dinamómetro de 100kg. y 4kg de fondo de escala. Sensor de fuerza compuesto de un fleje y galgas extensiométricos.

3.2.3.1. Dinamómetro.

Fue el ensayo más rudimentario, pero sirvió para tener una primera aproximación que nos daba una idea de por donde iban a estar los valores finales. El mecanismo consiste en lo siguiente; el carburador tiene un eje de giro, y ese mismo eje tiene una polea que es donde actúa el cable del acelerador, en ensayo consistió en atar un cable a esa polea y a su vez unir éste con el dinamómetro. El dinamómetro irá enganchado a un mecanismo elevador mediante poleas. Se subía el elevador poco a poco y el dinamómetro se iba alargando hasta que la mariposa llegase al tope, en ese instante se miraba el valor del dinamómetro y se apuntaba.

Memoria______________________________________________________________ 53

Figure 35: Mecanismo elevador.

En la Figure 36 se puede observar la disposición de los elementos para

la medición de la fuerza.

Figure 36: Carburador, dinamómetro y elevador.

Memoria______________________________________________________________ 54

Las pruebas con el dinamómetro arrojaron un valor de aproximadamente entre 2.5 y 3.5Kg y el perímetro de la polea sobre la que giraba era de aproximadamente 105mm. Por lo que el radio de la polea es de:

.671.1.71.16*2

.105**2 cmmmmmrrP ===→=π

π

Quedando que el par necesario es:

.*8485.5.671.1*5.3* cmKgcmKgrPT === Esto es solo una medida aproximada, porque la precisión del

dinamómetro no es muy buena, ya que es de 100kg de fondo de escala. Se le aplicará un coeficiente de seguridad, y se buscarán motores que superen el par de 5.8485*N (Siendo N el coeficiente de seguridad.)

Ensayos posteriores arrojaron un radio de la polea de 28mm. Por lo que

el par daría: T .*9.4.4.1*5.3* cmKgcmKgrP === Aún así aplicaremos un coeficiente de seguridad al par resultante para

evitar problemas. Se hicieron pruebas con el dinamómetro tanto con el motor de pruebas

como con el que está instalado en el Car, y también con el motor encendido, y los resultados en el motor de prueba fueron algo más grandes que en el otro, si bien, la utilización de un dinamómetro de tantos kilos provoca la pérdida de precisión. Estos resultados más altos pueden ser debido a la suciedad, a llevar mucho tiempo parado, etc.

Pruebas posteriores en el motor de prueba con un dinamómetro de 4kg.

de fondo de escala. dieron un valor de fuerza de 2.8kg. y al realizar las pruebas en el motor del Car-Cross se obtuvo la siguiente tabla:

Ángulo de la mariposa. Fuerza (kg.)

0º ascendente* 1,7 Totalmente abierta ascendente* 2,8

Totalmente abierta descendente* 1,5 0º descendente* 0,8

Tabla 6: Relación de fuerzas efectuadas para el movimiento de la mariposa.

* Ascendente significa que la fuerza que se ha realizado es para que la mariposa llegue a ese punto. A sí mismo descendente significa la fuerza a la cual la mariposa empieza a bajar de ese punto.

En la Gráfica 1 se observa mejor las pérdidas por rozamiento y la

precarga en los muelles.

Memoria______________________________________________________________ 55

Gráfica 1: Relación fuerza-án

La explicación de esta gráfica se deb

comprendido entre 0 y 0.8kg. es la precarga de lson pérdidas por rozamiento estático y entre 1.7 ymuelle por compresión. Esto es en sentido ascsentido descendente, tenemos que bajar desde mariposa empiece a bajar, y hasta que no lleguemcerrado por completo. Si en ese momento enintentamos abrirla, no bastaría con hacer un pocoque tendríamos que llegar hasta 1.7kg. para quecomo se ha dicho antes a que tiene que vencer el

3.2.3.2. Sensor de fuerza.

3.2.3.2.1. Introducción.

Debido a la necesidad de utilizar un actuadrequiere conocer con gran precisión el par que hay es por eso que también se realizó este ensayoque este parece ser más preciso. El objetivo esmovimiento de las mariposas, ya que como se plaposibilidad de utilizar unos resortes que contrarresejercen estas y el par restante sería aportado poutilizar estos resortes, no sería de tanto interés teya que se le aplicaría un coeficiente de seguridad.

6º

gulo.

e a lo siguiente, el tramo os muelles, entre 0.8 y 1.7kg. 2.8 es la fuerza que ejerce el endente, pero cuando es en 2.8 hasta 1.5kg. para que la os hasta 0.8kg. no se habrá

que acabamos de cerrarla, mas de 0.8kg. de fuerza, sino se mueva, y esto es debido rozamiento existente.

or para mover la mariposa, se y que ejercer para moverlas, aparte del dinamómetro, ya saber la fuerza opositora al nteará más adelante, cabe la ten un porcentaje del par que r un actuador. En caso de no ner una medida muy precisa,

Memoria______________________________________________________________ 56

En este caso se aprovechó la existencia de una báscula-chapa (Figure

37) construida en otro proyecto anterior en el mismo laboratorio. Se trataba de una viga a la que iban adosadas cuatro galgas extensométricas que eran las encargadas de medir la flexión de la misma. La deformación de las galgas producía una señal eléctrica que se recogía y se mostraba en un polímetro en forma de voltaje. Previamente, existía una etapa de amplificación mediante un amplificador San-Ei (Figure 38) y un puente de Wheatstone (Figure 39)

Figure 37: Sensor de fuerza

Figure 38: Amplificador San-Ei y Polímetro.

Memoria______________________________________________________________ 57

Figure 39: Puente de Weahtstone entre el sensor de fuerza y el San-Ei.

Figure 40: Conexión de las galgas con el puente de Wheatstone.

3.2.3.2.2. Galgas extensométricas

Una galga es un dispositivo utilizado para obtener una medida en forma de señal eléctrica de la deformación de un cuerpo sometido a fuerzas aplicadas. La resistencia eléctrica de una galga varía en proporción a la cantidad de deformación del fleje. Consiste en una rejilla de alambre fino o una rejilla de hoja de metal constante encapsulada en un forro fino de resina. La galga cambia en longitud y los alambres minúsculos se contraen o alargan dependiendo de sí el estado tensional es de tracción o compresión.

El cambio de resistencia eléctrica de la galga se conoce como factor de

galga. Se define el factor de galga como el cociente entre el cambio de resistencia y el cambio de longitud a lo largo del eje de la galga. La señal de salida de una galga extensiométrico se mide generalmente en una configuración del puente conocida como el circuito de puente de Wheatstone. Debido a los sensibles y pequeños cambios de resistencia, las medidas correctas se alcanzan con la selección apropiada de los componentes del puente, del acondicionamiento de señal, el cableado y de la adquisición de datos, de forma que se amplifique la señal sin introducir ruido añadido.

Memoria______________________________________________________________ 58

Figure 41: Vista del conjunto completo.

3.2.3.2.3. Ensayo realizado.

El ensayo consistió en fijar el sensor de fuerza sobre el chasis del car. El extremo opuesto de la viga se unía al cable del acelerador mediante un prisionero, de tal forma que la acción del cable deformase el fleje y este a su vez las galgas. Lo primero que se hizo es dejar el sensor libre de fuerza para poder dejarlo a cero y a partir de ahí posicionar la mariposa en varias posiciones y anotar el valor que mostraba el polímetro.

En la siguiente tabla se ofrecen los valores obtenidos para diferentes

posiciones de la mariposa.

Grado de apertura de la mariposa

Valores obtenidos en los ensayos realizados. (voltios) Media

Prácticamente cerrada. 3.8 4.32 3.7 3.37 3.74 3.786 Abierta a la mitad 4.62 4.68 4.52 4.58 4.12 4.5

Casi totalmente abierta 4.8 4.76 4.87 4.88 4.7 4.8 Totalmente abierta. 5.78 5.18 5.59 5.55 5.39 5.78 5.74 5.57

Tabla 7: Resultados obtenidos con el sensor de fuerza.

En la siguiente figura se puede observar la disposición del sensor y el

cable del acelerador.

Memoria______________________________________________________________ 59

Figure 42: Disposición del sensor.

Como se preveía, la máxima deformación de las galgas se produce

cuando las mariposas están totalmente abiertas. Y ese será el valor que se tomará como referencia para conocer el valor del par.

Sin embargo, lo que realmente interesaba era la fuerza y no el voltaje.

Para ello fue preciso calibrar el sensor de fuerza y poder conocer la correspondencia entre kilogramos y voltios. En la Figure 43 se muestra la gráfica obtenida en la calibración del sensor de fuerza para cinco masas diferentes.

Calibración

0,000

0,5871,0001,168

2,500

5,000y = 4,535x + 0,0455

0,000

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000

Fuerza (kg)

Volta

je (V

)

Figure 43: Relación entre la fuerza aplicada y el voltaje obtenido.

Memoria______________________________________________________________ 60

De la tabla de valores de voltaje se tomó la cifra mayor, correspondiente

a la mariposa totalmente abierta, de valor 5,57 voltios. Con la ecuación de la recta obtenida en la gráfica sabremos el valor de la fuerza máxima.

0455,0535,4 += xy

con Y = 5,57V, el valor de X es: 1,21819kg. y para Y = 3,786V, el valor de X es: 0.825kg. Pero ese es el valor de la fuerza perpendicular al fleje, por lo que habrá

que dividir por el coseno del ángulo que forma con el cable del acelerador, que resultó ser de 24º.

.3334,1º24cos

21819,1 kgFtotalmáx ==

.9028,0º24cos

825.0min kgFtotal ==

En la Figure 44 se puede ver el ángulo que forman cable y fleje, aunque

en la foto no se aprecia del todo bien, las mediciones resultaron correctas.

Figure 44: Ángulo entre la perpendicular al eje y el cable del acelerador.

Como ya se mencionó anteriormente el diámetro de la polea sobre la

que actúa el cable del acelerador es de 28mm. por lo que finalmente el par necesario para mover la mariposa es de:

Memoria______________________________________________________________ 61

.1829.0.294,18.86676,1.4,13334,1 NmNcmcmkgcmkgrFT totalmáximo ==×=×=×=

Que es mucho menor que la obtenida con el dinamómetro de 4kg. El

fallo está en que las pruebas se han realizado con la mariposa en tendencia descendente, y si nos fijamos en la Gráfica 1 obtenida con el dinamómetro de 4kg. Los resultados son muy parecidos.

Por ello se optó por tener como referencia de resultados los obtenidos

con el dinamómetro de 4kg. Ya que explican mejor el funcionamiento de la mariposa. Por tanto el par máximo que habrá que realizar será:

.38416.0.416.38.92.3.4.18.2 NmNcmcmkgcmkgrFT totalmáximo ==×=×=×=

Resumiendo, el actuador que se utilice tendrá entre sus características

principales el proporcionar un par mayor que 0.38416Nm. En el anejo de cálculos 2 se encuentran los operaciones realizadas para

la medición del par para mover la mariposa.

3.3. El actuador.

3.3.1. Introducción.

El tema a tratar ahora es la elección del actuador, su función es la de abrir las mariposas tal y como lo hacía el cable utilizado anteriormente. En el anterior capítulo se hizo una exposición de los motores eléctricos que se manejaban para mover la mariposa. Los motores DC, servomotores, paso a paso y sin escobillas (brushless), todos tienen sus ventajas y inconvenientes, pero al final se verá cual es el que mejor cumple su función y con mayor seguridad.

El motor junto con el mecanismo elegido tendrán que cumplir con las

siguientes características:

Par >10kg/cm=0.98Nm Tensión <12voltios

Velocidad de respuesta Alta

Reversibilidad Si, o circuito de seguridad en paralelo.

Tabla 8: Requisitos del actuador.

Memoria______________________________________________________________ 62

3.3.1.1. Par.

Los muelles realizan una fuerza opuesta a la apertura de la mariposa, con lo que se necesitará un alto par para vencer esa fuerza con facilidad, el coeficiente de seguridad será por lo menos de 5.

3.3.1.2. Tensión.

El voltaje máximo que suministra la batería es de 12 voltios, por lo que se elegirán actuadores que absorban como máximo ese voltaje.

3.3.1.3. Velocidad de respuesta.

Para saber si el motor responderá con buena velocidad se prestará atención a la potencia que consume. En el anejo de cálculos 3 se pueden ver los cálculos realizados para saber la potencia necesaria dependiendo de la velocidad de respuesta requerida.

En un principio se pone como condición que el motor tarde en abrir por

completo la mariposa como máximo 0.5 segundos, pero se podría bajar más si fuera necesario.

3.3.1.4. Reversibilidad.

Es importante que el mecanismo sea reversible, pues si se produce un fallo en el actuador y deja la mariposa abierta podría provocar un desastre. El método para hacer reversible el actuador puede ser de tres formas, mediante los muelles de retorno de la mariposa, mediante el software de control o con un circuito en paralelo que actúe en casos de fallo.

3.3.1.5. Muelles.

Los muelles son los encargados de hacer volver la mariposa a cero, pero también hacen que para abrir la mariposa el par sea mayor, por ello se estudiarán los siguientes mecanismos, y si en ninguno se obtiene un coeficiente de seguridad alto, los muelles serán eliminados.

3.3.2. Mecanismos propuestos.

Se propusieron hasta cuatro mecanismos para actuar, recordemos que el par para mover las mariposas es de 4kg*cm. Los mecanismos en cuestión son los siguientes.

1. Mecanismo de Barras: Tres barras articuladas entre si, una es

girada por el motor, otra por la mariposa y la tercera hace de unión entre las dos, consiguiendo rigidez para que el motor pueda actuar en las dos direcciones. Se tienen dos posibilidades, actuar directamente en la polea, o en el eje.

2. Mecanismo de poleas: Este mecanismo se compone la polea de la mariposa, la polea del motor y un cable que une los dos. Este mecanismo es reversible gracias a los muelles, pero tiene el

Memoria______________________________________________________________ 63

problema de que no existen motores que den el par necesario. Es por ello que se recurrió a estudiar el siguiente mecanismo.

3. Mecanismo de poleas, utilizando reducción en el actuador: Es exactamente igual al anterior, pero en este caso se utiliza una etapa reductora antes de la polea del motor. Se intentará que la reducción sea solo de una etapa para garantizar la reversibilidad.

4. Mecanismo de husillo y motor paso a paso: Este mecanismo se diferencia de los anteriores en que el motor y todo lo demás ya está elegido. Consiste en un motor paso a paso atravesado por un husillo que se mueve de un lado para otro en función de la rotación del motor.

En el anejo de cálculos 3 se encuentran las operaciones realizadas para

el diseño de cada mecanismo, así como los motores, reducciones y demás parámetros elegidos.

En el siguiente apartado se realizará una comparación entre los

diferentes mecanismos para dilucidar cual es el más recomendable.

3.3.3. Comparaciones entre los mecanismos. Se va a hacer una tabla-resumen de los mecanismos estudiados para

compararlos entre si y ver cual es mejor.

3.3.3.1. Mecanismo de barras.

Ventajas

Posibilita dos opciones de actuación: En el eje o en la polea. Con la primera opción se consiguen mejores resultados que con la segunda. Bajo par requerido para el actuador. Puede trabajar en ambos sentidos de giro, ya que

la barra intermedia aporta consistencia. Reversible. Sería la mejor solución en caso de que se pudiese

actuar directamente sobre el eje. Inconvenientes Dificultad para actuar en el mismo eje de la

Memoria______________________________________________________________ 64

mariposa, ya que existen dificultades para modificar el eje. Se podría actuar en la polea de la mariposa pero

ya no se consiguen tan buenos resultados y habría que modificar la polea. Poco espacio para modificar la polea.

3.3.3.2. Mecanismo de poleas.

Ventajas

Fácil de construir y montar Los muelles son los encargados de trabajar en el

sentido descendente de la mariposa Reversible totalmente. No necesita modificar elementos del motor.

Inconvenientes No puede trabajar en ambos sentidos. Alto par requerido para el actuador, el más bajo de

0.055Nm con dificultad de construcción debido al tamaño de la polea.

3.3.3.3. Mecanismo de poleas con reducción en el actuador.

Ventajas

Fácil de construir y montar, la reducción se puede comprar ya hecha. Los muelles son los encargados de trabajar en el

sentido descendente de la mariposa Reversible hasta cierta reducción, depende del

Memoria______________________________________________________________ 65

numero de etapas reductoras. Sin modificar elementos del motor se consiguen

buenos resultados. Bajo par requerido con o sin modificación del motor.

Inconvenientes Dificultad de encontrar engranajes de radio tan

pequeño. La solución sería utilizar una reducción ya fabricada y calcular el par necesario. Posibilidad de ser irreversible.

3.3.3.4. Mecanismo de husillo y motor paso a paso.

Ventajas

Fácil de construir y montar. Podría ser reversible utilizando un tornillo de

mayor paso. No es necesario la modificación de elementos del

motor.

Inconvenientes El motor paso a paso se calienta con facilidad y

puede estropearse. La opción es probar con un DC. Irreversible, por lo que se requeriría un

mecanismo de seguridad para casos de fallo. Como se ha podido observar no hay apenas diferencia entre los tres

primeros mecanismos, si bien, el primero sería diferente de los otros dos en caso de actuar directamente en el eje.

3.3.4. Conclusiones.

Recordemos previamente los requisitos para el actuador: Par mínimo de 4kg*cm, al que hay que aplicarle un coeficiente de

seguridad, como mínimo 10kg*cm. Alimentación a 12V e intensidad no mayor de 5A. Los muelles deben conseguir que el mecanismo sea reversible. Velocidad alta. Resolución, es decir, que en los 76º que gira la mariposa el

actuador tenga por lo menos el doble de posiciones.

Memoria______________________________________________________________ 66

A la vista de los resultados obtenidos en cada mecanismo (anejo de cálculos 3), se muestran ahora las siguientes conclusiones:

No existen motores de alto par y bajo consumo de intensidad

alimentados con solo 12 voltios. El mejor con baja intensidad tiene un par de 0.3kg*cm Ningún motor con reducción de una etapa proporciona el suficiente

coeficiente seguridad como para ser utilizado, el coeficiente mas alto obtenido es de 1.1, muy bajo. Los motores con reducción de más de una etapa si consiguen un

coeficiente de seguridad alto, en cuanto a par, pero son irreversibles, por lo que los muelles no harían mas que molestar. En cuanto a velocidad y resolución son buenos, pero dependen

también del sistema de adquisición de datos. Es por todo esto por lo que se llega a las siguientes conclusiones: Los muelles no hacen más que incomodar, y es por ello por lo que

se eliminarán y se procederá a utilizar un actuador que pueda funcionar en ambos sentidos. Se pierde seguridad en cuanto a reversibilidad, pero ya no se necesitan motores con par tan alto. Se deberá implantar un circuito de seguridad que cierre la mariposa en caso de fallo. El nuevo actuador deberá tener una fiabilidad muy alta. El nuevo par para mover la mariposa es del orden 0.5kg*cm.

Por tanto se llega a que el actuador elegido en cuestión se trata de un

servomotor, al cual se le impondrán los siguientes requisitos. 1. Alta velocidad de respuesta. 2. Alta fiabilidad. 3. Par mínimo de 0.5kg*cm. pero por seguridad se utilizará uno de por

lo menos 4kg*cm. Por ello en los siguientes apartados se procederá a la elección del servo

comparando las diferentes marcas, así como al diseño del mecanismo utilizado para la transmisión del giro.

3.4. Diseño del mecanismo y el soporte.

El nuevo mecanismo de conexión entre el servo y la polea de la mariposa constará de un servo y 1 cable que se unirá con la polea de la mariposa. Esta nueva opción de mecanismo se muestra en la Figure 45:

Memoria______________________________________________________________ 67

Figure 45: Nuevo diseño del mecanismo.

En el otro lado, el del servo, hay varias posibilidades, o utilizar una polea

del mismo tamaño que la de la mariposa usando dos cables, o utilizar un polea roscada usando un solo cable y que de dos vueltas a la polea para asegurar la fricción. Esta segunda opción es mas fácil de construir y es segura, por lo que será la que se utilice.

El cable estará cogido con prisioneros a los dos agujeros de la polea. El

cable de la parte superior servirá para abrir la mariposa y el de la parte inferior para cerrarla.

En este mecanismo los dos puntos importantes son; la elección de la

forma de actuar en el servo y utilizar el servo más fiable. En este caso no hay problemas de tensión, puesto que los servos trabajan a 4.8 ó 6 voltios, ni problemas de par, ya que se puede conseguir un par alto fácilmente y además se han eliminado los muelles.

El soporte tendrá que ir sujeto al motor, de tal forma que se consigan las

mismas vibraciones tanto en la mariposa como en el motor. Por un lado nos encontramos con la búsqueda de una zona donde sujetar el soporte al motor, y por otro lado hay que tener cuidado con los niveles de temperaturas de la zona donde estará situado el nuevo soporte, ya que el servomotor se estropea con temperaturas superiores a los 60º.

En el laboratorio se fabricará un soporte que o bien se apoye en la tapa

de las bujías o que sustituya al anterior soporte, y en el cual se amarrará el

Memoria______________________________________________________________ 68

servo de forma que quede bien sujeto. En la figura se muestran las zonas donde irían los posibles soportes.

Figure 46: Tapa de las bujías y soporte antiguo.

Los dos soportes propuestos se muestran a continuación, el de la

izquierda iría situado en la tapa de bujías, mientras que el de la derecha sustituirá al soporte antiguo en el mismo sitio.

Figure 47: Soportes propuestos.

Memoria______________________________________________________________ 69

3.4.1. Medición de temperaturas. Debido a que en la realización de otras pruebas en el vehículo se notó

que las temperaturas alrededor del motor eran muy altas, se decidió por hacerse una prueba midiendo las temperaturas en las zonas donde irían los soportes, pues el rango de temperaturas de funcionamiento del servomotor está entre –20º y 60º.

Las mediciones se realizaron con un termopar conectado a un

multímetro HP 34401A con sensibilidad de milivoltios. El termopar es un cable 1.5m de longitud, en uno de sus extremos se encuentran las clavijas de conexión al multímetro y en el otro la punta de medición.

Figure 48: Termopar y multímetro.

Se realizaron medidas en diferentes sitios, en la tapa de bujías, en el

soporte antiguo con y sin aislante, y en el aire alrededor de estos elementos. Los resultados son los siguientes: El soporte antiguo no se sobrecalienta, por lo que su temperatura es la del aire que le rodea. En la tapa de bujías las temperaturas eran bastante altas, y en el ambiente que rodeaba estos elementos el multímetro marcó un valor de 1,520mV lo que mirando en la tabla de conversión de valores (anejo de cálculos 3), nos da un valor de 38º, pero como hay que sumarle la temperatura ambiente, que en esos momentos era de unos 22º, la temperatura final nos da unos 60º.

Debido a estos resultados se descartó la instalación del soporte en la

tapa de bujías y se optó por cambiar el soporte antiguo por el de la Figure 47 (el de la derecha), ya que solo le influirá la temperatura ambiente y no se producirá conducción a través del material.

Pero aún así siguen habiendo problemas de temperaturas, por lo que se

instalará un deflector que permita la ventilación del aire por la marcha del vehículo pero que desvíe el aire caliente de la tapa de bujías hacia otras zonas del Car.

Memoria______________________________________________________________ 70

3.4.2. Fabricación del soporte. Después de realizar el diseño de los soportes en ProE, se optó por

hacer un prototipo en rapid prototyping, la escuela contaba con una máquina de este tipo que hacía el prototipo de plástico. La finalidad de esta pieza es conocer si tendrá problemas de tamaño a la hora de montarla en el motor. A continuación se muestra una foto del prototipo.

Figure 49: Prototipo hecho de resinas.

Una vez que se comprobó que la pieza encajaba perfectamente y no

tocaba con ninguna parte del coche que no debiera, se realizó el soporte final en la máquina de electroerosión. En el taller de la escuela se adquirió esta maquina recientemente y con ella se consiguen hacer con facilidad piezas diseñadas en ProE u otros programas de diseño. La pieza queda de la siguiente forma.

Memoria______________________________________________________________ 71

Figure 50: Soporte realizado en la máquina de electro-erosión.

3.4.3. Elección del servomotor. En el anejo de cálculos 3 se pueden ver la cantidad de marcas y

servomotores que existen en el mercado. Las marcas entre las cuales se barajó la elección del servomotor son:

Airtronics. Cirrus. FMA. Futaba Hitec. JR. KO Propo. MPI. Multiplex. Tower Hobbies.

Todas los servos suelen ser bastante seguros, pero las marcas más

conocidas y más fiables son Futaba y Hitec, es por ello por lo que se intentará elegir uno de estas dos. Aunque hay servos de otras marcas que responden unas centésimas de segundos más rápido que los de Futaba o Hitec, se intentará antes elegir uno de estas dos, y en caso de no encontrar ninguno que satisfaga las necesidades entonces se recurrirá a los otros. Las características que se tendrán en cuenta son las siguientes:

1. Velocidad de respuesta. 2. Par.

Memoria______________________________________________________________ 72

3. Precio. Finalmente, tras comparar los servos, la elección recayó en el

servomotor de la marca Hitec modelo HS-925MG cuya tabla de características se muestra a continuación.

Sistema de control: Modulación por anchura de pulso

Pulso requerido: Onda cuadrada de 3 a 5 voltios de pico a pico. Voltaje de operación: 4.8-6.0 Voltios

Rango de temperaturas de funcionamiento:

Desde -20 hasta 60º.

Velocidad de operación (4.8V):

0.11seg/60º sin carga.

Velocidad de operación (6V): 0.08seg/60º sin carga. Par (4.8V): 6kg·cm. Par (6V): 7.4kg·cm.

Ángulo de operación 45 Deg. one side pulse traveling 400usec Modificable a 360º Si

Direction: Clockwise/Pulse Traveling 1500 to 1900usec Current Drain (4.8V): 5.3mA/idle and 400mA no load operating Current Drain (6.0V): 6.6mA/idle and 500mA no load operating

Dead Band Width: 4 microsegundos Tipo de motor Coreless

Potentiometer Drive: Indirect Drive Bearing Type: Dual Ball Bearing

Tipos de engranajes: Metal Gears and 1 Resin Metal Gear Longitud del cable conector 300mm.

Dimensiones: 39.4 x 20 x 37.8mm. Peso 56 gramos.

Tabla 9: Propiedades del servo HS-925MG.

También se podría utilizar el Futaba S5801, pero apenas varían las

características con el otro y el precio es sensiblemente mayor.

3.4.4. Elección de la polea. La polea que se elegirá ahora irá en el eje del servo, tal como se puede

observar en la Figure 45. Su misión como ya se dijo anteriormente será la de transmitir el giro del servo a la polea de la mariposa.

Dada la dificultad de realizar una rosca de dientes en la polea para que

engrane con el eje del servo, se optó por elegir entre las dos siguientes posibilidades:

Hacer una polea normal de 28mm de diámetro y unirla a la polea

que trae el servo utilizando unos tornillos pequeños.

Memoria______________________________________________________________ 73

Utilizar la polea roscada de aluminio e introducirla a presión en el eje del servo de manera que se deforme el agujero interior y quede fija.

Los cálculos realizados para la obtención de la longitud mínima de polea

se encuentran en los anejos. El cable que se utilizará es de 0.96mm de diámetro, el radio de la polea

será de 28mm. y la longitud de 5mm. para evitar que el cable se salga por los laterales, los laterales de la polea tendrán un diámetro mayor, pero espesor de 2mm.

3.4.5. Montaje.

En las siguientes fotos se puede ver el montaje del soporte, servo, polea

y cable en el motor de prueba que había en el laboratorio.

Figure 51: Conjunto montado en el motor de pruebas.

Memoria______________________________________________________________ 74

Figure 52:Soporte con el servo amarrado.

3.5. Resumen.

Se va a realizar ahora un resumen general de los elementos elegidos y la disposición de los mismos:

El actuador elegido será un servomotor de la marca Hitec HS-

925MG (anejo de cálculos 3) con par de 7.7kg*cm. y velocidad de 0.08seg a 60º. Este motor será el encargado de mover la mariposa. La polea del servomotor será de 28mm de diámetro y será

introducida a presión en el eje del servo. Será roscada. El cable que unirá la polea de la mariposa con la del servo (Figure

45) será de 0.96mm. de diámetro y dará 1 vuelta y media a la polea del servo para asegurar la fricción El soporte irá situado en la zona de los carburadores, en donde

estaba situado el soporte antiguo. Se utilizará un deflector con el fin de evitar que el aire caliente

proveniente de la tapa de bujías sobrecaliente el servo, también tendrá como función la de refrigerar el servo guiando el aire hacía él.

Memoria______________________________________________________________ 75

Capítulo 4. Control y programación.

4.1. La unidad de control electrónico

La unidad de control electrónico UCE es el ordenador central del vehículo Car-Cross, su función es la de recibir los datos procedentes de los sensores u otros artilugios instalados en el coche y enviar si fuera necesario una señal.

En la figura se observa las cajas donde se encuentra la UCE, su

colocación en el coche es debajo del asiento del conductor.

Figure 53: Posición de la UCE.

En el caso de este proyecto, la UCE será la encargada de recibir la

señal del potenciómetro instalado en el pedal y mediante una ley de control, enviar la señal necesaria al actuador instalado en la mariposa.

En la UCE se podrán implantar varios programas de control, programas

de seguridad para casos de fallo, y otros programas de control del acelerador como pueden ser el Cruise Control, pero que necesitan de un botón en el display para ser activados.

4.2. La tarjeta de adquisición de datos.

El sistema de adquisición de datos, modelo GEMS DA99 permite grabar los valores de una cantidad finita de sensores en una tarjeta PCCard, así como visualizarlos en un monitor que se integra en el propio coche. La unidad central recibe el nombre de data logger (Figure 54), y sus características son las siguientes:

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Figure 54: Data-Logger.

Sistema compacto. Unidad central: 110x110x45 mm. Peso: 450 gr. 24 canales analógicos 6 canales de velocidad 8 entradas para termopares (temperatura) Resolución hasta 16 bits. Resolución en 8 bits con selección de modo: 8x1, 8x2, 8x4, ... Hasta 1 kHz de frecuencia de muestreo Ranura PCMCIA para almacenaje de datos en tarjeta PCCard

SRAM . Conectores Autosport Pantalla digital con 8 configuraciones de presentación.

En el anejo 4 se muestra el manual del software del data-logger.

Figure 55: Display integrado en el cuadro de mandos.

La tarjeta de adquisición de datos será la encargada de recibir los datos

del sensor de posición instalado en el pedal del acelerador y enviar la respectiva señal de control al actuador de la mariposa.

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La seguridad será uno de los temas adicionales en la tarjeta, en el capítulo anterior se pudo ver que el servo no es reversible, por lo que toda la seguridad del conjunto vendrá dada por el software, al ser una ecuación de control la que transmitirá la señal de un lado a otro se podrá programar otros parámetros que salten ante cualquier fallo. En resumen, se tratan de programas que apagarían el coche en caso de que falle algún elemento.

4.3. Parámetros importantes para la programación.

Una vez que ha sido elegido el actuador, se está en disposición de conocer que factores hay que tener en cuenta a la hora de programarlo e instalarlo. Los puntos siguientes serán de gran importancia tenerlos en cuenta para el buen funcionamiento:

El servo será controlado mediante PWM. La señal de control del servo será renovada cada 20ms por lo que

la frecuencia será de 50Hz. La forma de la onda será cuadrada y de 3 a 5 voltios de pico a pico. El servo vuelve a la posición cero en caso de no recibir señal, es

por ello que a la hora de instalarlo se tendrá en cuenta este aspecto para que coincidan el cero del servo y de la mariposa. Se alimentará el servo 4.8 ó 6 voltios. Los cables tienen las siguientes funciones: Rojo-Positivo, Negro-

Negativo y Amarillo-Control. En función de la duración del pulso, el servo se posicionará en una

posición u otra, así, los pulsos serán entre 0.9ms y 2.1ms para posicionarse en los extremos y para un pulso de 1.5ms el servo se posicionará en el medio.

Figure 56: Tren de pulsos para el servo elegido.

El sentido de giro del servo es el de las agujas del reloj.

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Al tener que alimentar el servo con 6 voltios, y la tarjeta sólo puede suministrar 5 ó 12 voltios, se utilizará un regulador. El servo puede girar un máximo de 180º, por lo que la polea que se

le instale no podrá ser de un diámetro menor a la mitad de la que está en la mariposa.

La programación de la unidad de control electrónico se encuentra en el

anejo de cálculos 4.

4.4. Seguridad.

Como elementos de seguridad tanto pasivos como activos podrían ser las siguientes proposiciones.

Instalación de un interruptor final de carrera en el pedal del acelerador

de forma que cuando este deje de ser presionado y vuelva a cero active el interruptor. El interruptor estará conectado a una puerta lógica AND, y la otra patilla de la puerta lógica estará conectada a la unidad de control electrónico. De esta forma cuando el interruptor dé señal cero, la puerta dará señal cero al servo y este volverá a la posición cero.

En la figura se puede apreciar mejor como quedaría el circuito.

Figure 57: Circuito de seguridad utilizando puerta AND.

En cuanto a la programación del software para conseguir seguridad hay

varias alternativas. 1. La unidad de control tendrá que cumplir una ecuación de control, es

decir para una posición del pedal, tendrá asociada una posición de la mariposa. La seguridad vendría de forma que cuando no se cumpliese esa ecuación es que algo está fallando, por lo que debería apagar el coche automáticamente.

2. La segunda opción consiste en poner un sensor en el pedal del freno de forma que se sepa cuando se está frenando y con que fuerza. Si el pedal del acelerador y el del freno están funcionando a la vez es porque puede haber algún fallo, por ello si se está frenando con

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mucha fuerza y la mariposa está abierta es porque hay problemas y se apagaría el motor.

4.5. Inconvenientes y soluciones.

En la realización del control se presentaron los siguientes inconvenientes.

El Data Logger tiene la posibilidad de enviar señal de PWM con

posibilidad de variar la frecuencia. Se hizo un programa para enviar señales al servo pero hubo los siguientes problemas: poca velocidad, poca precisión y el servo no permanecía parado en una posición, sino que oscilaba.

El problema era pues del sistema de adquisición de datos. Como

solución se utilizó un PIC que aportaría la señal PWM, las ventajas de este nuevo dispositivo son la velocidad y la resolución, por lo que se subsanaban los problemas anteriores.

El nuevo circuito quedaría de la siguiente forma El sistema de adqu

potenciómetro y ejecuta el pde señal, y es este último e50Hz.

Potenciómetro del pedal del acelerador.

Sistema de adquisición de datos.

Circuito generador de señal PWM con PIC.

isiciónrogram

l que e

Servomotor.

de datos recibe la señal de posición del a mandando una señal al circuito generador

nvía la señal de PWM con una frecuencia de

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Capítulo 5. Sistema integrado.

La unión entre todos los componentes del acelerador electrónico quedaría de la siguiente forma:

En la foto que se observa a la derecha se

puede ver el soporte con el potenciómetro que mide la posición del pedal.

El potenciómetro enviará al sistema de

adquisición de datos una señal comprendida entre 0 y 5 voltios, en función de la posición del pedal. Si el pedal no está pulsado la señal será de 0 voltios y si está pulsado al máximo será de 5 voltios, entre medias se produce una interpolación lineal entre el giro del pedal (18.274º), el del potenciómetro (450º.) y entre 0 y 5 voltios.

El sistema de adquisición de datos que se puede observar en la foto de la izquierda recibirá cualquier variación de señal en el potenciómetro. Su misión en este caso será la de ejecutar el programa utilizado devolviendo la correspondiente salida ante cualquier entrada del potenciómetro. Es indispensable que el circuito pase por el sistema de adquisición de datos para así poder implantar diferentes programas de conducción, que serían comandados desde aquí.

La señal del sistema de adquisición de

datos será enviada al circuito generador de señal PWM, este recibe una señal en forma de tensión y la transforma en una de pulsos que oscilarán entre 0.9ms y 2.1 ms con una frecuencia de 50Hz.

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Y por último se llega al actuador, en la figura de la izquierda se puede ver el soporte ya instalado junto con el servomotor. El servo recibirá la señal PWM y moverá la polea hasta la posición indicada por el pulso.

La polea del servo está conectada

mediante un cable a la polea de la mariposa, y esta a su vez producirá el giro de las mariposas. Consiguiendo el objetivo del proyecto.

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Capítulo 6. Diferencias. Ventajas y Futuras líneas de trabajo.

6.1. Introducción

En este capítulo se presentan las diferencias entre el acelerador electrónico instalado en el vehículo Car-Cross y el instalado en los vehículos comerciales, también se hablará de las ventajas proporcionadas por este sistema y las futuras líneas de trabajo

6.2. Diferencias entre Drive By Wire comercial y Car-Cross.

En este punto se mencionarán en general los inconvenientes acaecidos en el presente proyecto y porque no se ha podido realizar un control electrónico del acelerador igual al de los vehículos comerciales.

Se dividirá este apartado en tres subapartados, correspondientes a los

siguientes puntos: Pedal del acelerador. Actuador. Unidad de control electrónico.

6.2.1. Pedal del acelerador.

Las diferencias en el pedal no son excesivas. En cuanto a la medición, los coches comerciales utilizan lo mismo que se ha utilizado en este proyecto, un potenciómetro.

Pero la diferencia está en el mecanismo utilizado para que el

potenciómetro mida.

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Figure 58: Sensor de posición del vehículo Car-Cross.

En el presente proyecto se ha utilizado un mecanismo en el que gira una

polea que hace girar al potenciómetro y una chapa que lo sujeta al chasis del coche.

En los coches comerciales, se acopla al pedal una caja en cuyo interior

se encuentra el potenciómetro y un mecanismo que hace que gire. Todo esto forma un conjunto que se acopla al coche mediante unos tornillos. En la Figure 59 se puede ver como los dos elementos forman un todo.

Figure 59: Pedal de acelerador en coches comerciales.

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6.2.2. El actuador.

En el caso del actuador las diferencias son más notables, de hecho, no se parecen en prácticamente nada en cuanto a la disposición y forma, solo son iguales en la utilización de un motor eléctrico.

En cuanto a la disposición, los vehículos comerciales llevan instalado el

actuador en el mismo eje de la mariposa, debido a las posibilidades que tienen de realizar modificaciones en el motor, hay casos en los que se ha separado la admisión de aire de los cilindros y los han unido mediante un tubo, con esto se consigue que el actuador esté más lejos del motor y no tenga problemas por culpa de la temperatura. (Comprobado experimentalmente en un AUDI A3)

También se ha variado el número de carburadores, que ha pasado a

uno, aunque eso hace tiempo que se hizo. En la siguiente figura se puede apreciar este dato, la posición del carburador así como el acople utilizado para el actuador.

Figure 60: Acelerador electrónico en un Cadillac.

También se puede ver en la Figure 60 la reducción utilizada en el

actuador, en el anejo de cálculos 5 se muestran artículos y publicaciones en las que se mencionan las partes del Drive by wire y algún detalle más. Normalmente el actuador suele llevar una gran reducción del orden de 100:1.

En cuanto a que actuador utilizan, en algunos casos se utiliza un

servomotor, en otros un DC, un paso a paso, y un aficionado construyó un vehículo pequeño utilizando un brushless. Hay mucha variedad, aunque predomina la utilización de motores DC con o sin reducción. La marca Bosch fabrica y distribuye pedales y motores eléctricos especialmente diseñados para esta función.

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Figure 61: Motores eléctricos fabricados por Bosch.

Referente al mecanismo utilizado para hacer volver la mariposa a cero,

la información es nula, en ningún artículo o publicación se especifica si la vuelta es por el mismo motor o mediante un muelle y no ha sido posible comprobarlo experimentalmente debido a que en los desguaces esa pieza no la venden por separado, y en las casas oficiales tiene un coste muy alto.

6.2.3. La unidad de control electrónico (UCE).

Hoy en día todos los coches tienen una o varias unidades de control electrónico, en la cual se ejecutan múltiples funciones que sustituyen a conexiones mecánicas entre otras cosas.

La importancia pues de estas unidades es cada vez mayor, y su coste

es también más reducido. La UCE se encuentra instalada en el interior del vehículo y se trata de un pequeño ordenador, al igual que la instalada en el vehículo Car-Cross del laboratorio.

En resumen, todos los coches poseen una UCE y pocas diferencias hay

entre unas y otras, las funciones son muy parecidas, controlar electrónicamente algunas partes del coche.

Las diferencias existentes entre las diferentes UCE son de

programación. En la programación del acelerador, se pueden introducir formas diferentes de controlar el actuador, e incluso comandos de seguridad para casos de fallo.

6.3. Ventajas de un acelerador electrónico.

Las ventajas que presenta la implantación de un acelerador electrónico son las siguientes:

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Permite variar la relación entre la posición del acelerador y la

apertura de la mariposa con multitud de posibilidades. Fácil acoplamiento del control de velocidad de crucero.

Reducción de los tirones durante el funcionamiento del motor.

Permite un mejor control sobre las emisiones contaminantes.

Posibilita una mayor suavidad de funcionamiento a los vehículos

equipados con cambio de marchas automático. Integración del control electrónico en la centralita de gestión del

motor, reduciendo el coste del equipo. Es más fiable que un cable porque el sistema sólo envía una señal

eléctrica a través de un potenciómetro. En un motor de gasolina, la señal eléctrica determina la apertura de la mariposa, mientras que en un Diesel, determina el caudal de gasóleo.

Integra al acelerador funciones como el control de tracción o

estabilidad, o coordina el cambio automático para suavizar el paso de una marcha a otra.

Permite mayor control de la alimentación de aire del motor,

consiguiendo mejores aceleraciones y una respuesta del motor más adecuada al tipo de conducción que se está realizando

Corrige errores de accionamiento del acelerador por parte del

conductor.

6.4. Futuras líneas de trabajo.

El presente proyecto presenta futuras líneas de trabajo muy interesantes.

Por un lado se presentan las continuaciones desde el punto de vista

estético, como por ejemplo crear un pedal de acelerador y un sensor de posición acoplados en una sola pieza como se puede observar en los coches comerciales.

Pero lo realmente importante está en implantar nuevas formas de

conducción, las siguientes modificaciones suelen realizarse en el software y no en el hardware. Estas nuevas modificaciones pueden ser algunas de las ventajas mencionadas antes y otras nuevas; Sistemas como el control de tracción, el cruise control, y variar la relación entre la posición del pedal del acelerador y de la mariposa depende casi en su totalidad del software programado.

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6.4.1. Control de tracción.

El sistema de control de tracción actúa electrónicamente convirtiendo toda la potencia en movimiento evitando que las ruedas patinen y maximizando la tracción en cualquier situación. El resultado es un mayor control y un rendimiento óptimo, sin pérdida de potencia.

Una centralita electrónica compara a través de los sensores del ABS el

giro de las ruedas motrices con las que no lo son (o de las cuatros ruedas en caso de la tracción total), detectando si las primeras pierden adherencia, que en tal caso la centralita electrónica manda una señal para que se reduzca la fuerza del motor. En otros sistemas lo que hacen es frenar las ruedas que pierden adherencia y otros más completos efectúan ambas cosas a la vez (control de estabilidad). Los controles de tracción sólo evitan que se produzcan pérdidas de motricidad por exceso de aceleración, y no son capaces de recuperar la trayectoria del vehículo en caso de excesivo subviraje o sobreviraje. También hay sistemas de control de tracción que combinan la actuación sobre motor y frenos.

6.4.2. Cruise Control (Velocidad De Crucero).

La función del cruise control es mantener la velocidad deseada sin tener que llevar el pie oprimiendo el pedal del acelerador. Para que esté disponible el sistema, lo primero que hay que hacer es encenderlo; para lo que, en diferentes presentaciones dependiendo el fabricante, trae un botón de on/off. El siguiente paso es llevar al vehículo de manera habitual (acelerando con el pie) hasta lo más aproximado de la velocidad a que deseamos circular; momento en el que debemos oprimir el botón de ajuste o set.

El cruise control incluye botones para hacer ajustes finos de la velocidad

una vez definida, así es que cada vez que oprimimos los botones + ó - la velocidad seleccionada sube o baja entre 1 a 2 kilómetros por hora.

Cuando el sistema está operativo, aparece en el tablero de instrumentos

una aviso de tal situación. El Cruise Control se desactiva muy fácilmente, basta oprimir el pedal del freno para que libere la velocidad que llevaba controlada. En tal caso, para volver a la selección de velocidad original, se deberá oprimir el botón de restablecimiento. También se puede optar por oprimir off, pero en tal caso todo el sistema queda desconectado. Con el control operando, si usted acelera, la velocidad seleccionada en el cruise control no se desactiva, pero sí le permite hacer un rebase, y basta dejar de oprimir el acelerador para que el vehículo vaya automáticamente bajando a la velocidad seleccionada previamente sin tener que oprimir el botón de restablecimiento.

6.4.3. Tipos de conducción.

Si se busca un motor que responda bien a bajas revoluciones, se debe conseguir que el recorrido del acelerador corresponda con pequeños recorridos de la mariposa, sobre todo en los primeros grados de apertura. Lo que origina

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una respuesta del motor pobre cuando la mariposa está muy abierta, al producirse pequeñas variaciones en caudal de aire que entra al motor. Un motor de carácter deportivo necesita recorridos más amplios de la mariposa cuando está muy abierta, empeorando la respuesta del motor a bajas revoluciones.

En el acelerador electrónico se pueden adoptar infinidad de posiciones

de la mariposa teniendo en cuenta las condiciones de funcionamiento del motor. La centralita electrónica conoce en todo momento la posición del pedal del acelerador a través de la variación de la resistencia del potenciómetro. Con este dato y las revoluciones del motor se establece el grado óptimo de apertura de la mariposa.

A bajas revoluciones del motor, la mariposa se abrirá lentamente,

mientras a altas revoluciones, la apertura se realizará más rápidamente. Se consigue una buena respuesta del motor a cualquier régimen, impidiendo que aparezcan ahogos por un accionamiento muy rápido del acelerador.

En la fase de calentamiento del motor se produce una mayor apertura de

la mariposa en función de la posición del pedal acelerador. Durante esta fase se intenta empobrecer la mezcla todo lo posible y retrasar el encendido, reduciendo el tiempo de calentamiento del motor, y por tanto, del catalizador. Para que el conductor no perciba la reducción de par que esto supone, la mariposa se abre más rápidamente mejorando la respuesta del motor. Además se consiguen reducir las emisiones contaminantes.

Si se acciona rápidamente el acelerador cuando el motor está

reteniendo, se producen tirones a causa de la variación tan repentina en el par suministrado y el motor rebota en sus anclajes elásticos. Esta situación tan molesta se evita retrasando la apertura del acelerador para que no se produzca de forma tan brusca. El par motor aparece más lentamente, impidiendo que el motor rebote en sus soportes.

6.4.4. Conclusiones.

El control de tracción depende de varias partes pero la principal sería el

software, el Cruise Control depende completamente del software y los tipos de conducción dependen del programa implementado.

En el laboratorio se podría realizar como proyecto la instalación del

control de tracción, porque no solo es software, sino que tambien depende de otros factores como puede ser la instalación de sensores para saber en todo momento la velocidad de las ruedas y del coche. También se podría ampliar el proyecto coordinándolo con el control de estabilidad, aunque no se podría actuar en los frenos puesto que el Car no está preparado para ello.

El cruise control sería trabajo para un alumno interno, puesto que

consistiría en la instalación de un botón que al ser pulsado mantuviese la señal

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enviada al circuito generador de PWM, también se pondrían botones de memoria que cuando fuesen pulsados recuperasen la última velocidad guardada y cuando el conductor pise el freno deje de mantener la misma señal y vuelva a variar conforme a la posición del pedal.

Y por último en cuanto a los tipos de conducción consistiría sobre todo

en la programación de diferentes programas de conducción. Como ya se dijo anteriormente se podrían hacer programas que minimizasen el consumo de combustible, o que proporcionasen siempre la máxima potencia, etc. Quizás fuese más un proyecto que un trabajo de alumno interno, pues se requieren altos conocimientos de programación, sobre todo de Dinamic C.

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Capítulo 7. Presupuesto.

7.1. Mediciones y consideraciones.

En este capítulo se presenta un breve estudio económico para cuantificar el coste que hay detrás de la realización de este proyecto.

Para las mediciones se han considerado que el proyecto se realiza en

un plazo de 6 meses. Las horas óptimas anuales para los elementos amortizables son de

1600. El vehículo, elemento imprescindible del proyecto, no se considera como

tal en el presupuesto, sino como elemento disponible con antelación. Tampoco se tienen en cuenta los gastos generados en las pruebas como es el caso de comidas, gasolina, etc.

Casos análogos son la impresora, el escáner y la fuente de

alimentación, ya que se utilizan con asiduidad en el laboratorio y la proporción que se imputaría sería despreciable.

El San-Ei cedido por Asier López es de elevado precio, pero se

considera ampliamente amortizado debido a su antigüedad. El Software empleado es educacional, sin límite de licencias, por lo que

el precio imputado es estimado. Las piezas fabricadas en el taller de la escuela son de construcción y

material sencillos. El material utilizado es una pequeñísima partida, por lo que también se desprecia su coste, así como el de uso del taller exceptuando a los operarios.

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7.2. Cuadro de precios.

Coste anual

Horas óptimas

Coste por horas (€)

MO ingeniero 24000 1600 15 Director del proyecto Joan Savall. 1600 60 Colaboración Xavier Carrera. 1600 30 Colaboración José Manuel Carballo. 1600 30

Colaboración Juan Lizeaga. 1600 30 Colaboración Emilio Sánchez. 1600 50 Operarios taller. 1600 30 PC 900 1600 0.5625 Licencia Office 2000 educacional. 108 1600 0.0675 Licencia Pro-E Wildfire educacional 78 1600 0.04875 LabView 30 1600 0.01875 Fuente de alimentación 6 1600 0.00375 Alquiler puesto de oficina 3000 1600 1.875

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7.3. Listado de precios.

Horas empleadas.

Coste Euros. (€)

Director proyecto Joan Savall. 12 720 Colaboración Xabi Carrera. 50 1500 Colaboración José Manuel Carballo.

50 1500

Colaboración Juan Lizeaga. 30 900 Colaboración Emilio Sánchez. 4 200 Operarios taller. 4 120 PC. 800 450 Cartucho de impresora. 72 Licencia Office 2000 educacional. 200 13.5 Licencia Pro-E Wildfire educacional.

150 7.3125

LabView. 50 0.9375 Fuente de alimentación. 5 0.01875 Alquiler puesto de oficina. 800 1500 Material de oficina. 60 Servomotor 98 Gastos generados 7141.78 Mano de obra ingeniero proyectante

1000 15000

TOTAL 22141.78€

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Capítulo 8. Bibliografía.

“Ingeniería de proyectos”. EUNSA. Fernando Santos. Catálogo RS amidata, 2004.

Apuntes: “Tecnología de Máquinas”. Jordi Viñolas. Unicopia. San

Sebastián. 1999. Proyecto: “Determinación experimental de las cargas existentes

sobre la estructura de un vehículo automóvil”. Xabier Carrera Akutain. 2001.

Proyecto: “Diseño y construcción de un sistema de selección de

velocidades por actuadores para un vehículo” Mikel Ares Azpiroz” 2002.

“Robótica, Manipuladores y robots móviles”. Marcombo. Aníbal

Ollero Baturone.2001. “Máquinas y motores”. Servicio de publicaciones, Colegio de

Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Jesús Fraile. 2001

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Capítulo 9. URL’s consultados.

http://cfievalladolid2.net/tecno/ctrl_rob/robotica/portada.htm, servomotores, motores DC y Paso a paso.

http://www.amidata.es Potenciómetros

http://www.kraftfahrzeugtechnik-

heute.de/k/en/start/productsearchresult.jsp?plCatId=3 Bosch

Artículos Drive-By-Wire http://www.autozulia.com/nuevatecnologia.asp

www.delphi.com/pdf/techpapers/2000-01-0556.pdf

http://www.picotech.com/auto/applications/electronic_throttle_control

.html

http://www.egr.msu.edu/autoweb/Class/Proj_2001/throttle/project.htm

http://www.production-machining.com/columns/1102eur.html

http://www.fsb.hr/acg/publications/pub_etc_13.html

http://www.kraftfahrzeugtechnik-

heute.de/k/en/start/product.jsp?mfacKey=GS_23_DVE

http://www.edmunds.com/news/innovations/articles/43033/article.html

http://www.automotivetechnology.net/articles/skf.html