CURSO DE DISEÑO AUTOMOTRIZ

Curso de diseño automotriz gratuito

Automotive Design & Marketing Management

Fuente: Mercedes Benz

ENSAYO DE MOTORES

Ensayo de motores

En este área se realizan multitud de ensayos con fines muy distintos. Se pueden diseñar motores desde cero, pero normalmente esto es muy costoso por lo que es muy habitual que un mismo motor vaya evolucionando y mejorando al cabo de los años. Constantemente se investigan nuevos materiales y nuevas soluciones técnicas.

También, existe otra labor importante en esta área, la de adaptar los motores a los distintos vehículos del grupo. Para ello, se optimiza la unidad de control, el sistema de refrigeración, el sistema de escape y admisión de cada modelo.

Por último, cada día está más vigente la regulación de las emisiones, por lo que los fabricantes hacen verdaderos esfuerzos para desarrollar motores cada vez menos contaminantes. Además, todos estos motores son configurados para cada modelo para aumentar la duración del mismo, y para proporcionar una conducción acorde con el estilo del coche. 

Fuente: Mahle

Cada motor se ensaya en una habitación por separado, completamente aislada. El banco sobre el que se ensaya el motor se asienta sobre unas placas de hierro fundido con una suspensión neumática que puede llegar a pesar 40 toneladas. Todo ello se realiza para conseguir que no se transmita ningún tipo de vibración del motor a las salas de alrededor, dónde se estarán ensayando otros motores al mismo tiempo. El sistema de aislamiento en estas habitaciones es extremo para que ningún condicionante externo interfiera en los resultados.


Las salas dónde se ensayan están bien, pero lo espectacular no es eso, sino el hecho de estar rodeado de toda la última tecnología que aún no ha visto la luz, sentir cómo en una sala tienen el motor a toda máquina, mucho más de lo que jamás estará en la calle. Tenerlo a tal potencia que, aunque esté completamente fijado, puede vibrar de tal manera que parece que se va a escapar del lugar. En estas salas es dónde ocurre la magia, dónde el corazón de los coches que están en la calle se desarrolla. Dónde un único cambio impactará en el rendimiento de todos los coches, o incluso, en una nueva saga de modelos. Por lo que explicaremos algunos de los ensayos, pero créanme cuando digo que la parte fascinante de esto no se encuentra en los datos, ni en la cantidad de ensayos posibles que se pueden hacer a un motor, sino en el propio desarrollo del motor. 
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En este departamento también entran en juego los softwares para CFD (mecánica de fluidos computacional) para hacer simulaciones del flujo de calor previo a los ensayos, y así poder redimensionar los distintos componentes, como el colector de escape y de admisión. Algunos de los programas habituales son Ansys Fluent, OpenFoam y Simscale. Aunque existen otras opciones, por ejemplo SolidWorks tiene su módulo de Cfd propio, denominado Flow Simulation. Gracias a estos programas podemos realizar ciertas simulaciones, por ejemplo:

• Evaluar la refrigeración de los componentes y la transferencia de calor.
• Consumo de combustible, modelización y optimización de la combustión interna.
• Simulación de  los sistemas de llenado y lubricación.
• Cálculo de emisiones (distribución de contaminantes, efluentes, ect).
• Climatización del habitáculo.

La gran ventaja de esto es que podemos realizar estas simulaciones desde nuestra casa con cualquier programa de Cfd, y aprendiendo mucho. Quizás no tengamos la oportunidad ahora mismo de entrar en los laboratorios dónde se ensayan los motores, pero sí podemos realizar infinidad de cálculos al igual que se hacen en cualquier centro de diseño y desarrollo de automoción.

Fuente: Roush Industries

​Simular por ordenador es económico, es por ello que los fabricantes tratan de hacer todas las pruebas posibles a ordenador, pero antes o después, el conjunto motor tendrá que ir físicamente al laboratorio para ser puesto a prueba en el banco de motores. De este modo se determinan parámetros como los límites de rendimiento del motor, es decir, su carga máxima. También se miden las emisiones, el flujo de aire aspirado, el consumo de carburante y lubricantes, los sistemas de refrigeración, aceleración en vacío, la presión, los gases de escape, el comportamiento frente a distintas temperaturas, la relación aire-combustible para la mezcla de admisión, entre otras muchas variables.  

De hecho, hay ensayos de motores específicos para cualquier variable que podamos imaginar,  y el ensayo puede ser tan exhaustivo como el fabricante desee. Incluso es posible introducir el motor bajo condiciones de humedad, presión y temperatura totalmente variables. Las posibilidades de ensayos son casi infinitas, a mayor presupuesto, tiempo e interés del fabricante por desarrollar un motor excepcional, más ensayos se podrán realizar. 

Con el banco de motores o con el dinamómetro de motores también se mide la resistencia en el frenado o a la rotación, la vibración del motor, el par para las distintas combinaciones de cajas de cambio y transmisiones, así como los niveles de entrada de potencia. Es decir, se puede parametrizar al completo el comportamiento del motor, y adecuar la maquinaria del laboratorio para cada necesidad específica. ​

Fuente: Skoda

Fuente: Mahle

Fuente: Skoda

Fuente: Skoda

El problema no viene con las posibilidades de ensayos, existen multitud de fabricantes y proveedores para cualquier tipo de ensayos de motores que podamos imaginar, y si no existe, se adapta o se fabrica. El problema viene con las capacidades reales de desarrollo, es decir, el dinero y tiempo disponibles. Es por eso que el diseño de un motor es tan caro que muchas marcas comparten motor para ahorrar costes de desarrollo y testing. Incluso cuando esto ocurre, estos motores son sometidos a ensayos específicos para ajustarlo y calibrarlo. Hay que tener en cuenta que esta calibración no impacta en una sola unidad, sino que lo hará en miles de vehículos que saldrán por la línea de producción. De todos modos cabe indicar, que un motor es un sistema realmente complejo con miles de componentes, cuando un fabricante comparte motor con otro, aunque en la línea de producción parezca el mismo, pueden tener diferencias inapreciables en los materiales y en los acabados. Esto ocurre incluso cuando el motor parte de la misma línea ya que, debido a la trazabilidad de las piezas, se conoce perfectamente qué motor irá en cada vehículo desde el primer momento. 
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Cooling Systems: Existe un departamento encargado únicamente a este tipo de ensayos, que irá de la mano del desarrollo del resto del motor. Aquí se ponen a prueba los sistemas de refrigeración del vehículo poniéndolos al límite para comprobar sus limitaciones reales. Además de realizarse pruebas de durabilidad del sistema, presión pulsante, corrosión y erosión de los componentes, ciclos de temperatura climáticas… etc.

Al igual que ocurre con los motores, la dificultad está en elegir qué variables se deciden estudiar y qué recursos aplicar a cada uno. En condiciones ideales se estudiaría cada una de las variables en todos los escenarios posibles para cada uno de los componentes, y después, para los conjuntos de piezas posibles. Ya que esto es tremendamente costoso, hay que saber encontrar un equilibrio entre costes de diseño y desarrollo y calidad final del vehículo. Si se hacen demasiados ensayos repercutirá en el coste final del vehículo, además, el cliente no percibe ese coste ya que no es consciente de la cantidad de ensayos que se han realizado. Por lo tanto tendremos un coche más caro en el mercado sin que el cliente conozca la razón real. Pero el problema es aún mayor si no se ha ensayado lo suficiente y surge cualquier problema una vez el coche está en el mercado. Como ocurre en todo, siempre se requiere el mejor resultado al mínimo coste. El ingeniero deseará realizar tantos ensayos como sea posible, pero en control de costes y en dirección tratarán de recortar al máximo los gastos derivados.

 De nuevo, vemos la importancia de poder realizar simulaciones por ordenador, dando un soplo de aire fresco a los ingenieros ya que les permite acercarse lo máximo posible a la solución final y ensayar sin generar excesivos costes. 
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Fuente: Skoda

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Contenido eliminado: Ensayos de electrónica y ensayos de safety

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ENSAYOS DE SAFETY

Ensayos de safety

Además de los crash tests que vimos en la entrega anterior, hay otros ensayos de seguridad corporal dentro del vehículo. Se estudia la ergonomía, la usabilidad y la comodidad del habitáculo. En el diseño de coches, los asientos son un componente importante del denominado factor de bienestar (feel-good factor). Este factor se implantó por los fabricantes para determinar una serie de factores subjetivos pero fundamentales a la hora de vender un coche. Hay que tener en cuenta que la primera interacción que tiene un posible comprador con el coche es montarse en el asiento del conductor y llevar las manos al volante. Si en ese instante, el posible cliente se siente incómodo, no comprará el coche y el trabajo de cinco años de desarrollo no habrá servido para nada. 

​Es importante que el vehículo no produzca lesiones de manera pasiva por que el conductor se vea forzado a mantener una posición incómoda para realizar distintas funciones. Por ejemplo, si fuera complicado acceder al habitáculo, tal y como ocurre en vehículos de competición, podría causar dolencias y molestias por un uso diario. Este es un ejemplo muy lógico, pero los especialistas en ergonomía se fijan en cualquier detalle del habitáculo para reducir el riesgo de cualquier tipo de lesión. 

​Por ejemplo, se hacen pruebas de resistencia de los asientos simulando hasta 20.000 usos de manera continuada. Este ensayo se realiza mediante robots humanoides con pesos distribuidos para asemejarse al de una persona; o bien, con pistones que tienen en su extremo unas bolsas cubiertas con tela vaquera para aplicar tensión en puntos concretos del asiento de forma cíclica. 

Fuente: Tachi-S

Fuente: RCOEng

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