miércoles, 30 de marzo de 2011

Vibraciones Mecánicas


GENERACION DE ENERGIA ELECTRICA A PARTIR DE VIBRACION EN SUSPENSION AUTOMOTRIZ
Carrillo Castillo Conrado1, Covarrubias Obeso Erick Ivan2, Rodríguez Cavazos Octavio2
1 Departamento de Ingeniería Mecánica, Instituto Tecnológico de Ciudad Juárez,
2 Estudiantes de Ingeniería Mecánica, Instituto Tecnológico de Ciudad Juárez,
RESUMEN.

Esta investigación se llevo a cabo con el propósito de encontrar alternativas de generación de energía, mediante trabajo que es desaprovechado en la suspensión automotriz, debido a que en la actualidad se esta buscando un enfoque hacia los automóviles con menor consumo de combustible. Para esto se propone un generador de movimiento axial, básicamente es un movimiento mecánico masa-resorte-amortiguador, cuyo movimiento tiene un solo grado de libertad.

ABSTRACT.

This research was carried out in order to find alternative energy generation, through work that is missed in the automotive suspension, because they are currently looking for a focus on cars whit lower fuel consumption. For this we propose a motion generator axial mechanical movement is basically a mass-spring-damper, whose movement has a single degree of freedom.

 INTRODUCCIÓN.

La energía no renovable es un problema en la actualidad, ya que no se cuenta con un consumo moderado de estos combustibles, como lo son el petróleo, el gas natural y el carbón, formados hace miles de años. La nueva generación de automotores llamados Flex-Fuel es capaz de trabajar con Etanol, el cual es un combustible mas limpio al momento de hacer combustión, y este reduce notoriamente los gases que provocan el efecto invernadero casi en un 23% comparado con un automotor a gasolina.

Debido a la gran demanda por reducir las emisiones de gases, el empleo de energías alternativas para la tracción de vehículos ha experimentado un fuerte impulso en los últimos años. El cual se ve reflejado en el desarrollo de nuevas tecnologías, donde destacan los automotores híbridos y eléctricos. En el presente se encuentran en el mercado vehículos híbridos con gran aceptación y un considerable ahorro de combustible, estos cuentan con un motor eléctrico y otro de combustión interna.

La gran posibilidad de recuperar energía por medio de sistemas generadores de energía esta siendo utilizada por los automóviles hoy en día. La cual se genera por medio de alternadores, como todos estos generan corriente alterna se debe utilizar una placa de diodos rectificadores para convertirla en corriente directa y así podrá ser utilizada para cargar la batería del automóvil o cuestiones afines.
Se conocen otro tipo de generadores denominados axiales, este es aquel que posee un campo magnético paralelo al eje de giro. La fuerza electromotriz inducida en cada una de las bobinas en este generador se determina por la expresión de Lorentz.

DESARROLLO.
Este proyecto esta basado en la construcción de un dispositivo generador de energía, el cual aprovecha el trabajo desperdiciado en la suspensión automotriz.

Para esto se construyó un banco de pruebas el cual simula el movimiento de dicha suspensión, por medio de un sistema de leva y tren de potencia.
Ya ensamblado el dispositivo generador al banco de pruebas realizamos las mediciones correspondientes al prototipo, para con la ayuda de un osciloscopio obtener la potencia real generada y así estimar un promedio de mediciones y avanzar a la optimización del mismo.

Para la optimización del prototipo se utilizó un método de diseño de experimentos el cual evaluó el comportamiento de la bobina y el núcleo en distintas combinaciones de desalineación, esto para  llegar a una predicción de lo que estará pasando al seleccionar combinaciones aleatorias de dicho dispositivo, y así obtener el diseño optimo esperado.
Una vez obtenido el banco de pruebas funcional se procedió a un diseño de sistemas electrónicos para rectificar la señal para obtener un voltaje de corriente directa.

Para la adquisición de datos  se opto por una tarjeta de adquisición de datos de national instruments, esta es una interface entre la señal y una PC. Como ayuda para la interpretación de estos componentes se utilizo el programa de LabView, para obtención de los puntos de la onda.
Una vez obtenidos cada uno de los puntos se opto por el uso de Excel para realizar las graficas que describen el comportamiento con una serie de alteraciones en el prototipo.

Para esta sección los voltajes tomados fueron pico a pico.
En nuestra primera medición, se posiciono concéntrica la bobina respecto al imán, con este obteniendo un voltaje de 8.5 V. El cual arrojo un área bajo la curva de 404.66 unidades.

Se des energizó el banco, y se prosiguió con la segunda medición, la cual se realizo con el generador descentrado recorriendo la bobina 1mm hacia atrás, el cual arrojo un voltaje de 9.5 V, con un área bajo la curva de 403.17 unidades.


La medición siguiente se realizo con el dispositivo recorrido 2mm contrarios al anterior, el cual nos dio resultados de 9.4 V, y un área bajo la curva de 403.95 unidades.

La cuarta medicion, se tomo con la bobina completamente concentrica, recorriendo la misma 1 mm hacia arriba de su origen, obteniendo como medicion 9.3 V, y un area de 406.13 unidades.


Continuando con el experimento, realizamos la siguiente prueba de la siguiente manera, realizamos el procedimiento anterior con la diferencia de 3 mm del origen hacia arriba, lo cual arrojo el siguiente dato, un voltaje de 7.33 V y un area bajo la curva de 356 unidades.

En nuestra prueba siguiente, utilizamos una combinación que constaba de desalineación angular, para con esto ver que tan sensible es nuestro prototipo en caso de un siniestro que pudiera desalinearlo angularmente, el cual se coloco a una inclinación de 2.5 grados hacia la izquierda. Otorgando un voltaje de 9.3 V y el área de296.86 unidades.


En la ultima medicion consideramos el angulo contrario al anterior, colocandolo con un menor angulo de inclinacion que fue de 1.5 grados, y este se comporto de forma considerable, dando un voltaje de 8.6 V y un area de 394.83 unidades.

RESULTADOS

Después de analizar el comportamiento de cada uno de los experimentos se procedió al análisis de cada una de las áreas bajo la curva, ya que esto es la relación directa de energía entregada por el sistema.  Obteniendo entonces el siguiente diagrama de dispersión.

A continuación se presentaran por separado cada uno de los puntos que se analizaron, para una mejor comprensión.

Para la prueba de concentricidad, la dispersión de datos es de una unidad de diferencia, y la grafica siguiente muestra la disminución de área bajo la curva.

Mientras que la variación en altura se reflejo de manera considerable en el prototipo, ya que el sistema dejo de generar 44 unidades bajo la curva.

Para dar por terminado el análisis se mostrara una grafica de la variación que se obtuvo con la inclinación de la bobina. Este podría ser el mas considerable de los experimentos realizados ya que con la inclinación de 2.5 grados tiene una perdida de 27% de energía teniendo como referencia la posición optima del prototipo y un 25% con la inclinación de 1.5 grados.

CONCLUSIONES

Los resultados obtenidos son alentadores ya que nos indican que el dispositivo puede funcionar correctamente en una suspensión automotriz, utilizando un rectificador de onda ya que sin este obtendríamos corriente alterna, pudiendo así aliviar un poco la carga al sistema eléctrico del automóvil.



Con el análisis de desalineación realizado anteriormente, se llega a la conclusión que la concentricidad es la desalineación que presenta menos perdidas, por lo tanto podría ser utilizada en producción en masa, para con ello poder mejorar el rendimiento eléctrico y por ende, mejorar la eficiencia en carros híbridos, ya que tendríamos otro dispositivo conectado al sistema de generación ayudando al almacenaje de energía considerablemente.




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