UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA SEDE...

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA

SEDE CUENCA

FACULTAD DE INGENIERÍAS

CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA AUTOMOTRÍZ

TESIS PREVIA LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE

INGENIERO MECÁNICO AUTOMOTRÍZ

“DISEÑO, CONSTRUCCIÓN E INSTALACIÓN DE UN SISTEMA

ELECTROMECÁNICO DE LUCES ANTINIEBLA ACTIVO, PARA UN

VEHÍCULO CHEVROLET CORSA EVOLUTION 1.8.”

AUTORES:

LUIS ANTONIO SANTOS SAGBAY

DANIEL MAURICIO VALAREZO ORDOÑEZ

DIRECTOR:

ING. RENÉ ZUMBA RIVERA

CUENCA – ECUADOR

2010

ii

Ing. René Zumba Rivera

Certifica:

Que la tesis ha sido desarrollada en su totalidad por los señores Luis Antonio Santos

Sagbay y Daniel Mauricio Valarezo Ordoñez bajo mi dirección, por lo que autorizo

su presentación.

_____________________________

Ing. René Zumba Rivera

Director

iii

Los conceptos empleados y análisis realizados de esta tesis, son de entera

responsabilidad de los autores

__________________________________

LUIS ANTONIO SANTOS SAGBAY

______________________________

DANIEL MAURICIO VALAREZO ORDOÑEZ

Cuenca, 5 de Enero del 2010

iv

Agradecimiento

Agradecemos a la institución educativa “UNIVERSIDAD

POLITECNICA SALESIANA” que junto con su cuerpo docente nos

ha inculcado profundos pensamientos de nobleza, responsabilidad y

dedicación. Así mismo acentuamos nuestro agradecimiento a quien

fue nuestra guía esencial en el desarrollo y culminación de este

proyecto al mostrarse con una gran voluntad y predisposición, Ing.

René Zumba Rivera.

Los autores

v

Dedicatoria

A Dios, por haberme dado la vida, espíritu claro en gracia y

verdad, por su infinita sabiduría que me regalo, no sólo a mi sino

a toda su creación; regalándonos un universo lleno de paz, amor y

mucha felicidad, sobre todo le agradezco a mi Dios por todo lo

que me ha dado.

A mi Padre, que por darme una vida mejor se alejó de mi, pero

yo se que allá donde él se encuentra, siempre está pensando en su

familia y se siente orgulloso de haber hecho de mi lo que soy

ahora.

A mi Madre, por todo el apoyo que me brindó todos estos años,

le doy gracias a Dios por habérmela dado tal como ella es.

Porque Ella luchó día y noche por hacer de mi un hombre de bien.

A mis hermanas por sus palabras de aliento. Y a todas las

personas que de una u otra forma hicieron posible la finalización

de este proyecto.

Luis A. Santos

La presente tesis no habría sido posible sin la ayuda de Dios y la

colaboración de toda mi familia, en especial a mis padres Narciso

y Gladys que me brindaron siempre su total confianza, a mis

hermanos Johanna y Joe que siempre estuvieron ahí para

alentarme, a mis compañeros y amigos con quienes supimos

afrontar sin fin de adversidades.

A todas y todos muchas gracias, mi tesis se las dedico.

Daniel

vi

INDICE DE CONTENIDOS

CAPITULO 1

SISTEMAS DE ILUMINACIÓN EN LOS AUTOMÓVILES

1.1.Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2.Seguridad Activa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3.Sistemas de iluminación en los automóviles. Evolución. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3.1. Sistemas de iluminación en los automóviles. Pasado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3.2. Sistemas de iluminación en los automóviles. Presente. . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.3.2.1. Lámparas incandescentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.3.2.2. Tipos de lámparas y su utilización en el automóvil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.3.2.3. Principio de funcionamiento de los faros provistos de

parábolas reflectoras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.3.2.4. Lámparas halógenas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.3.2.5. Lámparas de Xenón. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.3.2.5.1. Estructura de un faro de xenón. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.3.2.5.2. Funcionamiento de un faro de xenón. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.3.2.5.3. Faros con lámparas de descarga de gas bi-xenón. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.3.2.5.4. Funcionamiento de un faro bi-xenón. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1.3.3. Sistemas de iluminación en los automóviles. Tendencias de Futuro. . . . . . . . 27

1.3.3.1. Faros diurnos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

1.4. Luces: activas, de curva y antiniebla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

1.4.1. Regulación automática del alcance luminoso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

1.4.2. Luces activas en curva. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

CAPÍTULO 2

DISEÑO DEL SISTEMA ELECTROMECÁNICO DE LUCES

ACTIVAS EN EL VEHÍCULO

2.1. Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.2. Objetivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.3. Elección de determinados elementos electrónicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.3.1. Elección del sensor de posición. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

vii

2.3.1.1. Encoders. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.3.1.1.1. Encoder incremental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.3.1.2. Sensor Ultrasónico de posición. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.3.1.3. Sensor Láser de posición. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.3.1.4. Sensor Inductivo de posición. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.3.1.5. Sensor Resistivo de posición. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.3.1.6. Criterios de selección. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.3.1.7. Descripción del sensor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.3.2. Elección del Actuador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.3.2.1. Tipos de motores eléctricos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.3.2.1.1. Motor de corriente continua. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.3.2.1.2. Servomotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.3.2.1.3. Motor paso a paso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.3.2.1.4. Motor sin escobillas (Brushless). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.3.2.2. Comparación entre los diferentes motores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

2.3.2.3. Criterios de selección. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

2.3.2.4. Descripción del motor utilizado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

2.4. Descripción de componentes que conforman el circuito

electrónico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

2.4.1. Resistencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

2.4.2. Transistor Tip 31C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

2.4.3. Transistor MJ4502. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

2.4.4. Diodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

2.4.5. Trigger 7414. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

2.4.6. Regulador de Voltaje 7805. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

2.4.7. Regulador de Voltaje LM317T. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.5. Diseño del sistema electrónico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.5.1. Circuitos electrónicos fallidos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

2.5.1.1. Circuito 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

2.5.1.2. Circuito 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

2.5.2. Circuito electrónico definitivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

2.5.2.1. Calculo del circuito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

2.5.3. Diseño del circuito que indica la posición recta del volante. . . . . . . . . . . . . 81

2.5.4. Calculo del consumo de corriente del circuito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

viii

2.6. Diseño del sistema mecánico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

2.6.1. Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

2.6.2. Diseño. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

2.6.2.1. Faro antiniebla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

2.6.3. Mecanismos de transmisión de movimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

2.6.3.1. Solución 1: Utilizando engranajes cónicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

2.6.3.2. Sistema con engranajes cónicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

2.6.3.3. Solución 2: el eje del motor mueve directo al mecanismo. . . . . . . . . . . . . 94

2.6.3.4. Sistema en que el motor mueve directamente al mecanismo. . . . . . . . . . . . 95

2.6.3.5. Solución 3: Utilizando engranaje y tornillo sin fin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

2.6.3.6. Sistema con engranaje y tornillo sin fin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

2.6.4. Comparación entre los diferentes mecanismos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

2.6.5. Elección del diseño adecuado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

2.6.6. Cálculos de estructura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

2.6.6.1. Diseño de eslabones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

2.6.6.2. Diseño de los pernos que sujetan la estructura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

2.6.7. Cálculos de diseño del mecanismo de tornillo sin fin y engranaje. .. . . . . . 108

2.6.7.1. Cálculos para el tornillo sin fin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

2.6.7.2. Cálculos para la rueda dentada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

2.6.7.3. Relación de transmisión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

2.6.7.4. Calculo de las fuerzas sobre el tornillo sin fin y la corona. . . . . . . . . . . . 111

2.6.7.5. La potencia de salida, la potencia de entrada y la eficiencia. . . . . . . . . . . 113

2.6.8. Diseño del disco dentado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

2.6.9. Mecanismo de obtención de la señal que controlará al motor. . . . . . . . . . . 123

2.6.9.1. Sensor óptico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

2.6.9.2. Ubicación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

2.6.9.3. Alternativas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

CAPÍTULO 3

CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA

3.1. Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

3.2. Objetivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

3.3. Instalación del circuito de faros antiniebla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

ix

3.4. Construcción de la parte mecánica del sistema de faros

antiniebla activos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

3.4.1 Fabricación del soporte del faro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

3.4.2. Fabricación del soporte fijo al compacto del vehículo. . . . . . . . . . . . . . . . 130

3.5. Colocación del motor y mecanismo de transmisión

en el sistema del faro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

3.6. Implementación del mecanismo en el vehículo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

3.7. Adecuación del guardachoque del vehículo para alojar a los faros. . . . . . . 134

3.8. Implementación del Guardachoque en el vehículo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

3.9. Construcción del Disco dentado y el soporte para los sensores. . . . . . . . . 138

3.9.1. Construcción del disco dentado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

3.9.2. Construcción del soporte para los sensores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

3.10. Colocación de los sensores y disco dentado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

3.11. Circuito de alimentación para el sistema de faros

antiniebla activo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

3.12. Adecuación del circuito al vehículo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

3.13. Construcción del circuito electrónico impreso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

3.14. Instalaciones eléctricas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

3.15. Cubierta del circuito electrónico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

3.16. Ubicación y sujeción del circuito en el vehículo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

3.17. Ubicación de los LED e interruptores del circuito en el vehículo. . . . . . . . . 156

3.18. Inconvenientes eléctricos ocurridos en la construcción

e implementación del vehículo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

CAPÍTULO 4

ANÁLISIS FINANCIERO DE: EL DISEÑO, CONSTRUCCIÓN E

IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE ILUMINACIÓN

ACTIVO

4.1. Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

4.2. Objetivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

4.3. Costos totales de diseño e implementación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

4.3.1. Costos de diseño. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

4.3.2. Costos de materiales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

x

4.3.3. Costo de mano de obra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

4.4. Precio del sistema de faros activo al público. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

CAPITULO 5

PRUEBAS DE FUNCIONALIDAD Y PROCESOS DE

MANTENIMIENTO DEL SISTEMA DE ILUMINACIÓN ACTIVA

5.1. Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

5.2. Objetivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

5.3. Sistema convencional de Iluminación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

5.4. Sistema de Iluminación activa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

5.5. Ventajas y Desventajas de cada sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

5.6. Calibración de los Faros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

5.7. Pruebas de Funcionalidad de acuerdo a estándares

de seguridad vehicular del sistema de iluminación activa. . . . . . . . . . . . . . 178

5.7.1. Cambios realizados por exigencias de la norma de

seguridad vehicular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

5.7.2. Pruebas de Funcionalidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

5.7.2.1. Pruebas de campo en la noche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

5.7.2.2. Pruebas de campo en la noche con neblina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

5.7.2.3. Pruebas de campo en la noche con lluvia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

5.7.2.4. Pruebas de campo en la noche con polvo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

5.7.2.5. Tabla de resultados de las pruebas de campo

con el sistema apagado y encendido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

5.7.2.6. Medición de la temperatura de los transistores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

5.8. Mantenimiento Preventivo y Correctivo del sistema

de iluminación activa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

5.8.1. Mantenimiento Preventivo del sistema de iluminación activa. . . . . . . . . . 185

5.8.1.1. Mantenimiento preventivo de la parte electrónica del sistema. . . . . . . . 185

5.8.1.2. Mantenimiento preventivo del circuito de faros antiniebla. . . . . . . . . . . 186

5.8.1.3. Mantenimiento preventivo de la parte mecánica del sistema. . . . . . . . . . 187

5.8.2. Mantenimiento Correctivo del sistema de iluminación activa. . . . . . . . . . 188

5.8.2.2. Mantenimiento correctivo de la parte mecánica del sistema. . . . . . . . . . 188

xi

5.8.2.3. Mantenimiento correctivo y diagnóstico

de la parte electrónica del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

5.9. Cuadro sinóptico de averías del circuito de faros activo. . . . . . . . . . . . . . . 198

5.9.1. Calibración de los faros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

CONCLUSIONES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

ANEXOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

xii

INDICE DE FIGURAS

Ítem Descripción Pág.

1.1 Primer vehículo propulsado a vapor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2 Lámpara de queroseno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3 Vehículo provisto con lámpara de acetileno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.4 Lámpara de gas de acetileno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.5 Vehículo dotado con un sistema de iluminación eléctrico. . . . . . . . . . . . 9

1.6 Lámpara de incandescencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.7 Plafón. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.8 Pilotos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.9 Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.10 Lancia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.11 Wedge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.12 Foco europeo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.13 Halógena. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.14 Punto luminosos en el foco de la parábola. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.15 Punto luminoso por delante del foco de la parábola. . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.16 Superficie reflectora debajo del punto luminoso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.17 Deflector de cristal tallado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.18 Esquema de una lámpara de alumbrado (cruce/carretera). . . . . . . . . . . 17

1.19 Haz de luz asimétrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.20 Lámpara halógena. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.21 Tipos de lámparas halógenas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.22 Vehículo equipado con lámparas de xenón. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.23 Estructura de un faro de xenón. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.24 Partes implicadas en el funcionamiento del faro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.25 Elementos que forman el foco bi-xenón. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1.26 Esquema de funcionamiento de un faro bi-xenón. . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1.27 Automóvil equipado con faros de LED. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.28 Prototipo de vehículo provisto con faros diurnos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

1.29 Funcionamiento de la regulación automática

del alcance luminoso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

1.30 Sistema de iluminación orientable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

xiii

2.1 Encoder incremental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.2 Sensor ultrasónico de posición. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.3 Sensor inductivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.4 Potenciómetros circulares. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.5 Fototransistor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.6 LED. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.7 Encoder MOC70T3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.8 Simbolo del fototransistor NPN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.9 Esquema de conexión del Encoder MOC70T3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.10 Motores Eléctricos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.11 Componentes de una máquina de CC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.12 Servomotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.13 Funcionamiento de un servo mediante pulsos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.14 Posiciones para paso simple. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.15 Posiciones para paso doble. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.16 Posiciones para medio paso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

2.17 Medición realizada con dinamómetro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

2.18 Motor paso a paso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

2.19 Esquema de conexión de una resistencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

2.20 Simbología del TIP 31C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

2.21 Esquema del TIP 31C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

2.22 Simbología del MJ4502. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

2.23 Esquema del MJ4502. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

2.24 Símbolo del Diodo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

2.25 Símbolo del Trigger 7414. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

2.26 Simbología del 7805. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

2.27 Simbología del LM317T. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.28 Diagrama de Bloques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

2.29 Circuito 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

2.30 Circuito 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

2.31 Funcionamiento del motor en configuración de medio paso. . . . . . . . . .

.

76

xiv

2.32 Cálculo de resistencias de polarización del sensor. . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

2.33 Cálculo de resistencias del regulador de voltaje LM317. . . . . . . . . . . . . 78

2.34 Esquema de funcionamiento del transistor MJ4502. . . . . . . . . . . . . . . . 79

2.35 Esquema de polarización del transistor TIP31. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

2.36 Esquema de conexión del Encoder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

2.37 Simbología del FF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

2.38 Circuito integrado de un FF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

2.39 Circuito integrado del contador 74192. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

2.40 Símbolo de la compuerta OR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

2.41 Circuito integrado de la compuerta OR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

2.42 Esquema de la posición exacta de los sensores

y el disco que los activa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

85

2.43 Esquema simbólico del conexionado de las compuertas OR. . . . . . . . . . 88

2.44 Circuito para la calibración de los faros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

2.45 Caja de Fusibles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

2.46 Espacio del vehículo donde se colocarán los faros antiniebla. . . . . . . . . 91

2.47 Faro antiniebla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

2.48 Partes del sistema de sujeción de los faros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

2.49 Engranajes cónicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

2.50 Sistema con engranajes Cónicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

2.51 Sistema en que el motor mueve directamente al mecanismo. . . . . . . . . . 95

2.52 Mecanismo de sinfín-corona. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

2.53 Sistema con engranaje y tornillo sin fin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

2.54 Diagrama de cuerpo libre de la estructura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

2.55 Triángulos formados en la estructura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

2.56 Triangulo formado por el eslabón BD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

2.57 Triángulo por el ángulo del eslabón BD con el eje X. . . . . . . . . . . . . . . 100

2.58 Triangulo formado por el eslabón AC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

2.59 Triángulo por el ángulo del eslabón AC con el eje X. . . . . . . . . . . . . . . 101

2.60 Dimensiones a las que se encuentran colocados los eslabones. . . . . . . . 102

2.61 Fuerzas aplicadas en los eslabones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

2.62 Diagrama de cuerpo libre de una unión

empernada en cortante simple. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

106

xv

2.63 Esfuerzos en los apoyos de las conexiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

2.64 Cotas del mecanismo de tornillo sin fin y engranaje. . . . . . . . . . . . . . . . 108

2.65 Fuerzas sobre un tornillo sinfín y una corona. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

2.66 Coeficiente de fricción en función de la

velocidad de deslizamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

113

2.67 Encoder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

2.68 Vista seccionada de un Encoder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

2.69 Disposición de los 4 sensores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

2.70 Distancias máxima y mínima entre dientes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

2.71 Esquema Final del disco dentado para controlar

el movimiento de los faros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

121

2.72 Esquema Final del disco dentado que indica

la posición recta de la dirección. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

122

2.73 Máxima distancia de ancho de la ranura del disco. . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

3.1 Esquema del circuito de encendido de los faros antiniebla. . . . . . . . . . 128

3.2 Partes del soporte del faro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

3.3 Utilización de un machuelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

3.4 Soporte, bujes y rodamientos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

3.5 Mecanismo de transmisión de movimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

3.6 Colocación del motor y mecanismo de transmisión. . . . . . . . . . . . . . . . . 132

3.7 Colocación de la estructura en el vehículo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

3.8 Simetría en la colocación de las estructuras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

3.9 Pintado de las estructuras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

3.10 Perforación del guardachoque. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

3.11 Molde de Cartón. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

3.12 Mezcla para endurecer el molde de cartón. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

3.13 Colocación de la masilla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

3.14 Cortado de los puntos de rozamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

3.15 Pintado del guardachoque. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

3.16 Acabado final del guardachoque del vehículo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

3.17 Guardachoque colocado en el vehículo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

3.18 Disco dentado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

xvi

3.19 Soporte para los sensores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

3.20 Pintado del Disco dentado y soporte de los sensores. . . . . . . . . . . . . . . . 139

3.21 Lugar donde se colocará el disco dentado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

3.22 Colocación de los sensores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

3.23 Disco dentado y sensores colocados

en la columna de la dirección. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

140

3.24 Circuito de alimentación para el sistema

de faros antiniebla activo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

141

3.25 Colocación del relé para alimentar el sistema

de faros antiniebla activo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

141

3.26 Circuito adecuado al vehículo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

3.27 Disipador de calor TO-3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

3.28 Ventilador 12V 501303. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

3.29 Modelo matemático de la transferencia

de calor del transistor al ambiente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

143

3.30 Variación de la resistencia térmica del disipador

con respecto a la velocidad del aire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

145

3.31 Características del ventilador 501303. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

3.32 Diseño de las plaquetas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

3.33 Diseño de la serigrafía. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

3.34 Placa de cobre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

3.35 Limpieza de la placa con lana de acero. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

3.36 Aplicación de la plancha sobre el papel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

3.37 Remojo de la placa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

3.38 Extracción del papel de la placa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

3.39 Recipiente para atacar a la placa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

3.40 Proceso de taladrado de la placa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

3.41 Circuito con placa impresa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

3.42 Trayectoria de la instalación de los motores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

3.43 Protección de la instalación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

3.44 Socket de conexión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

3.45 Cubierta para el circuito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

3.46 Cubierta del circuito con agujeros de ventilación. . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

xvii

3.47 Placa del circuito con su cubierta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

3.48 Ubicación del circuito en el vehículo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

3.49 Sujeción de la cubierta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

3.50 LED verde indicador de dirección recta

y LED rojo de calibración. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

156

3.51 Interruptores de encendido y apagado del circuito y LED. . . . . . . . . . . . 157

3.52 Relé dañado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

3.53 Imagen del LM317 en posición corregida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

3.54 Imagen del cable reemplazando la pista en el circuito. . . . . . . . . . . . . . . 158

5.1 Movimiento de las luces con respecto a la dirección

del vehículo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

173

5.2 Esquematización del proceso de calibrado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

5.3 Calibración de la luz de cruce. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

5.4 Calibración de la luz de carretera. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

5.5 Calibración de la luz de faros de carretera adicionales. . . . . . . . . . . . . . 178

5.6 Haz de luz de un faro antiniebla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

5.7 Haz de luz asimétrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

5.8 Con el sistema apagado (Curva hacia la derecha Noche) . . . . . . . . . . . . 180

5.9 Con el sistema encendido (Curva hacia la derecha Noche) . . . . . . . . . . 180

5.10 Con el sistema apagado (Curva hacia la izquierda Noche). . . . . . . . . . . 181

5.11 Con el sistema encendido (Curva hacia la izquierda Noche) . . . . . . . . . 181

5.12 Con el sistema apagado (Curva hacia la derecha Neblina). . . . . . . . . . . 181

5.13 Con el sistema encendido (Curva hacia la derecha Neblina). . . . . . . . . 181

5.14 Con el sistema apagado (Curva hacia la derecha Lluvia). . . . . . . . . . . . 182

5.15 Con el sistema encendido (Curva hacia la derecha Lluvia). . . . . . . . . . 182

5.16 Con el sistema apagado (Curva hacia la derecha Polvo). . . . . . . . . . . . 183

5.17 Con el sistema encendido (Curva hacia la derecha Polvo). . . . . . . . . . . 183

5.18 Medición de la temperatura del transistor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

5.19 Sockets de conexión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

5.20 Relé de encendido del circuito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

5.21 Lugar donde se encuentran los Relés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

5.22 Revisión visual de los faros antiniebla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

xviii

5.23 Sistema de transmisión de movimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

5.24 Rodamientos y bujes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

5.25 Parte del tablero que cubre el circuito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

5.26 Tornillos de sujeción de la caja de circuitos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

5.27 Localización de la caja de circuitos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

5.28 Socket de Alimentación del circuito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

5.29 Comprobación de la Alimentación del circuito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

5.30 Fusible de protección. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

5.31 Caja de circuito desmontada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

5.32 Caja de circuito cubierta desarmada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

5.33 Multímetro, comprobador de diodos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

5.34 Comprobación del diodo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

5.35 Medición de los voltajes de alimentación de las bobinas. . . . . . . . . . . . . 192

5.36 Forma de conexión del osciloscopio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

5.37 Oscilograma de cada sensor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

5.38 Conexión del osciloscopio en cada uno de los sensores. . . . . . . . . . . . . 194

5.39 Conexión del osciloscopio para obtener la señal de los motores. . . . . . . 194

5.40 Oscilograma de cada bobina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

5.41 Conexión del osciloscopio en cada uno de las bobinas. . . . . . . . . . . . . . 195

5.42 Socket de los LED. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

5.43 Comprobación de los LED. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

5.44 Localización del relé de encendido del circuito electrónico. . . . . . . . . . 197

5.45 Luces indicadoras que sirven para calibración de faros. . . . . . . . . . . . . . 199

xix

INDICE DE TABLAS

Ítem Descripción Pág.

1.1 Acontecimientos importantes en la evolución

del sistema de iluminación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

2.1 Características técnicas del Encoder MOC70T3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.2 Rango de funcionamiento del fototransistor y del LED. . . . . . . . . . . . . . 45

2.3 Pasos estándar más importantes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.4 Comparación entre diferentes motores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

2.5 Caracteristicas técnicas del motor paso a paso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

2.6 Características técnicas del TIP 31C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

2.7 Características técnicas del MJ4502. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

2.8 Características técnicas del MJ4502. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

2.9 Características técnicas del 7805. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

2.10 Características técnicas del LM317T. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.11 Funcionamiento del FF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

2.12 Funcionamiento de la compuerta OR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

2.13 Secuencia de activación de los sensores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

2.14 Comportamiento del circuito de compuertas OR

(Tabla de Verdad) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

87

2.15 Consumo de Corriente de cada sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

2.16 Comparación entre los diferentes mecanismos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

2.17 Ángulos de giro del volante de la dirección. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

2.18 Rangos del ancho de diente y distancia entre ellos. . . . . . . . . . . . . . . . . 120

3.1 Tabla de resistencias térmicas desde el encapsulado

hasta el disipador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

145

4.1 Costos de Diseño. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

4.2 Costos del sistema eléctrico, mecánico y estética funcional. . . . . . . . . . 163

4.3 Tiempo en horas que le toma a una persona construir

e implantar el sistema activo en el vehículo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

165

xx

4.4 Gastos totales de diseño e implementación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

4.5 Costo de los materiales necesarios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

4.6 Precio del sistema al público. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

5.1 Colores obligatorios en las luces posteriores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

5.2 Cuadro comparativo del sistema convencional

y del sistema activo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

174

5.3 Resultados de pruebas de campo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

5.4 Cuadro sinóptico de averías. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

xxi

INTRODUCCIÓN

La presente tesis se refiere al: diseño, construcción, implementación y pruebas de

funcionalidad del sistema de luces activo de un vehículo corsa evolution 1.8.

El primer capítulo recopila información acerca del sistema de iluminación del

automóvil desde su pasado, presente hasta las tendencias a futuro, junto con un

preámbulo del funcionamiento de las luces activas y evolución de las mismas, siendo

este un estudio muy importante para conocer la finalidad de esta tesis. En este

primer capítulo también menciona de qué se trata la seguridad activa en el vehículo y

cómo se relaciona esta con el sistema de iluminación del automóvil.

Teniendo claro cual es la función del sistema de luces activas, damos paso al

segundo capítulo, el más importante en el cual se diseña la parte electrónica y

mecánica del sistema de luces activas. Para realizar un buen diseño de la parte

electrónica empezamos por escoger los sensores y actuadores que vamos a utilizar en

el circuito. De acuerdo a un análisis de funcionalidad, disponibilidad en el mercado,

costos, durabilidad entre otros parámetros se seleccionó los más adecuados según

nuestro criterio. Posteriormente luego de escoger el tipo de actuador y sensor a

utilizar determinamos las características que deberán cumplir como: torque, tiempo

de activación, voltaje de alimentación, entre otros. El siguiente paso fue desarrollar

un circuito que reciba la señal de los sensores y comande a los actuadores de acuerdo

a los criterios de funcionalidad, naturalmente para un mejor entendimiento se

esquematiza y detalla el funcionamiento del circuito junto con sus cálculos que

comprueban la utilización todos los elementos. Siguiendo con el desarrollo del

capítulo diseñamos la parte mecánica del sistema, empezamos por la sujeción móvil

del faro, luego se diseña el mecanismo de la transmisión, en esta parte también

existieron intentos fallidos hasta conseguir el adecuado, todos estos mecanismos se

comprueban mediante el cálculo estructural. Para terminar con el capítulo diseñamos

el disco dentado que activa los sensores, el cual muy importante para el desempeño

del sistema.

Siguiendo con el proceso lógico del desarrollo del sistema de luces activo

construimos el sistema diseñado, esta fase lo abarca el tercer capítulo que al igual

que el capítulo dos se divide en construcción de la parte mecánica y construcción de

la parte electrónica. La fabricación mecánica tiene mucho que ver con la estética, ya

xxii

que los esfuerzos son pequeños. Para la construcción mecánica se tomó en cuenta

las normas de iluminación vehicular. Otro paso importante es la adecuación del

parachoques al sistema, se tuvo que recurrir a ligeras modificaciones que no

afectaron a la aerodinámica y estética del vehículo. La construcción de la parte

electrónica requiere de más dedicación y empeño ya que se trata de construir una

placa que aloje todos los elementos electrónicos en el menor espacio posible. La

colocación de los sensores y la ubicación del circuito en el vehículo fue estratégico,

todo esto para no causar molestias al conductor ni a los ocupantes del mismo.

En el cuarto capítulo se realiza un análisis financiero en donde detallamos los costos

producidos a lo largo del desarrollo de la tesis, este análisis está dividido en costos de

diseño, costos de materiales y costos de manos de obra, con estos datos y de acuerdo

a un margen de utilidades obtuvimos un precio de venta al público del sistema de

faros activo.

En el quinto y último capítulo hacemos una comparación de entre el sistema de

iluminación convencional y el sistema de iluminación activa, detallando las ventajas

y desventajas de cada sistema. Luego realizamos las pruebas de campo y un análisis

de las mismas, entre ellas tenemos lluvia, niebla y polvo, todas ellas realizadas en la

noche para una mejor apreciación. Finalmente concluimos describiendo el

mantenimiento preventivo, correctivo y un cuadro de averías del sistema de faros

activo.

1

CAPITULO 1


SUMARIO

1.1. Introducción.

1.2. Seguridad Activa

1.3. Sistemas de iluminación en los automóviles. Evolución

1.3.1. Sistemas de iluminación en los automóviles. Pasado

1.3.2. Sistemas de iluminación en los automóviles. Presente

1.3.2.1. Lámparas incandescentes

1.3.2.2. Tipos de lámparas y su utilización en el automóvil

a) Plafón

b) Pilotos

c) Control

d) Lancia

e) Wedge

f) Foco europeo

g) Halógena

1.3.2.3. Principio de funcionamiento de los faros provistos de parábolas reflectoras

1.3.2.4. Lámparas halógenas

a) Lámparas H1

b) Lámpara H2

c) Lámpara H3

d) Lámpara H4

e) Lámpara H5

1.3.2.5. Lámparas de Xenón

1.3.2.5.1. Estructura de un faro de xenón

1.3.2.5.2. Funcionamiento de un faro de xenón

1.3.2.5.3. Faros con lámparas de descarga de gas bi-xenón

1.3.2.5.4. Funcionamiento de un faro bi-xenón

1.3.3. Sistemas de iluminación en los automóviles. Tendencias de Futuro

1.3.3.1. Faros diurnos

1.4. Luces: activas, de curva y antiniebla

1.4.1. Regulación automática del alcance luminoso

1.4.2. Luces activas en curva

2

CAPÍTULO 1


1.1. Introducción.

Desde la creación del motor de combustión interna y el impulso industrial en lo que al

automóvil se refiere se han realizado muchos cambios y evoluciones en cada uno de sus

sistemas desde los mas sencillos utilizados en los primeros autos fabricados hasta los

mas complejos y eficientes que se están implementado en los últimos modelos de

vehículos en donde la electrónica es la parte fundamental y la que ha revolucionado toda

la industria automotriz.

Los cambios realizados en los vehículos se han dado por muchas razones, ya sea la

comodidad del conductor y los ocupantes, las necesidades determinadas por las

características mismas del vehículo y una de las razones con mayor peso es la seguridad

de las personas que están dentro y fuera del vehículo.

Es así como muchos sistemas han evolucionado según la necesidad, por ejemplo la

necesidad de tener motores más pequeños y livianos pero con mayor potencia, llevó al

desarrollo de nuevos materiales para su construcción y a mejorar el sistema de

alimentación de combustible e ignición de la mezcla que ahora son controlados por

computadora según las condiciones de conducción. El mejoramiento en el rendimiento

de los motores hizo que los vehículos sean mas veloces pudiendo llegar a velocidades

superiores a los 250 kilómetros por hora, volviéndose peligrosos para sus ocupantes y

los peatones por lo cual se desarrollaron sistemas para hacerlos mas seguros tanto activa

como pasivamente (seguridad activa y pasiva).

Uno de los adelantos en seguridad activa es el sistema de iluminación de los

automóviles, que es el tema que trataremos con mas profundidad durante este capitulo.

Siendo de gran importancia el sistema mencionado pues ayuda mucho en la conducción,

3

en la visibilidad del conductor y sobre todo ayuda a que el vehículo sea visto por los

peatones y demás conductores advirtiéndoles de las maniobras que va ha realizar el

conductor de dicho vehículo.

El sistema de iluminación es uno de los elementos fundamentales en la conducción que

ha evolucionado mucho en los últimos tiempos pues este debe adaptarse a las

condiciones de conducción (carreteras en mal estado, con curvas muy pronunciadas,

etc.) a las condiciones meteorológicas adversas (lluvia, neblina, etc.) Aumentando así

La seguridad activa dirigida al alumbrado facilitando la visión del conductor así como el

ser visto.

1.2. Seguridad Activa

Todos estos adelantos en la tecnología de la iluminación del automóvil se han basado en

aumentar la seguridad activa del vehículo. Durante años se han venido integrando

elementos de seguridad en los nuevos vehículos por parte de sus fabricantes, quienes

acatan las normas dictadas por organismos internacionales que realizan investigaciones

sobre las causas de los accidentes de tránsito a fin de proteger la vida del conductor y los

acompañantes. Hoy en día existen dos tipos de seguridad en los automóviles para

salvaguardar la vida de miles de conductores y pasajeros, los cuales han sido

desarrollados para funcionar antes y durante del impacto.

A continuación se detallara la seguridad activa, es decir la que funciona antes del

impacto.

“La Seguridad Activa en el Automóvil son todos aquellos conjuntos de mecanismos o

dispositivos destinados a disminuir el riesgo de que se produzca un accidente. Es decir

engloba los dispositivos sobre los que el conductor puede actuar directamente:

Sistema de frenado: detiene el vehículo y evita el bloqueo de las ruedas (ABS).

Sistema de suspensión: garantiza la estabilidad durante la conducción.

4

Sistema de dirección: hace girar las ruedas de acuerdo al giro del volante.

Sistema de climatización: proporciona la temperatura adecuada durante la

marcha.

Neumáticos: su dibujo es garantía de agarre, incluso en situaciones

climatológicas adversas.

Sistema de iluminación: permite al conductor ver y ser visto.

Motor y caja de cambios: hacen posible adaptar la velocidad a las

circunstancias de la carretera.

Sistema de control de estabilidad: evita el vuelco del vehículo gracias al

denominado sistema ESP.

La seguridad activa está pensada para garantizar el buen funcionamiento de un vehículo

en movimiento y responder a las órdenes del conductor. Precisamente, la pericia al

volante de éste y la precaución son las claves para evitar un siniestro, siempre y cuando

el automóvil responda como le pide el usuario.” 1

Uno de los factores importantes para la seguridad en el sistema de iluminación es la

mayor visibilidad. Una de las mejores formas de evitar accidentes es que los

conductores vean y sean vistos. Por esta razón, cuando los ingenieros y diseñadores,

insisten en dotar a los automóviles de amplias ventanas que ayuden a reducir los ángulos

muertos, limpiaparabrisas automáticos con velocidad intermitente variable, lunetas

térmicas traseras, innovadores faros que producen una luz más natural, luces para

circular durante el día, luces de visibilidad lateral y luces de freno elevadas. Todo ello es

un componente integral del diseño. Se trata de un diseño que se reconoce fácilmente en

las carreteras de todo el mundo.

1 Fundación EROSKI, Luces y sombras de los sistemas de alumbrado, 01 Enero 2007,

http://revista.consumer.es/web/es/20070601/practico/consejo_del_mes/71603.php

5

En un coche los faros son tan importantes como lo son las ruedas ya que unos faros y

luces eficaces tanto en la parte delantera como en la trasera del vehículo son la base

tanto para ver correctamente como para ser visto por el resto de conductores.

La calidad de la iluminación depende especialmente de la calidad de la fuente luminosa.

La regulación de las luces es muy importante para evitar perder visibilidad de la

carretera o deslumbrar a otros conductores que circulen en sentido contrario.

Se observa que uno de cada tres proyectores se encuentra desreglado o deteriorado de

manera que es necesario sustituirlo. Esto pone de relieve la importancia de revisar y

mantener periódicamente el sistema de iluminación. Para ello es importante seguir las

siguientes recomendaciones:

“Compruebe el funcionamiento de sus luces - faros, posición, intermitentes y

frenos- periódicamente.

Un mal estado del sistema de alumbrado genera una mala visibilidad de la

calzada en la oscuridad, incrementa la fatiga visual del conductor y la dificultad

de otros conductores para ver su vehículo y sus maniobras.

Aunque todas las luces funcionen correctamente, cambie las lámparas cada

50.000 kilómetros o cada dos años, siempre por parejas, aunque su duración

depende de sus características.

Por desperfectos o roturas externas de las pantallas protectoras se pueden

producir condensaciones en el interior del faro y se corre el riesgo de que se

funda alguna bombilla.

Instale lámparas originales. El bajo coste en muchos casos viene acompañado de

menor vida útil y menor potencia lumínica.

Bajo ningún motivo coloque lámparas xenón en faros de lámparas halógenas,

porque el faro debe estar preparado para ello.

Otro aspecto importante es su correcta regulación. Una luz muy alta puede

deslumbrar a otros conductores y, en cualquier caso, es peligroso porque le hará

perder visibilidad. Lo mismo ocurre si están excesivamente bajas.

6

Un mal reglaje puede deberse a golpes, al mal estado de los amortiguadores o a

que viaja con su vehículo muy cargado. Hoy, la mayoría de los coches disponen

de reguladores para corregir la altura de los faros.

No se olvide de la limpieza y del buen estado de la pantalla protectora. Si los

faros o los pilotos están sucios, se reduce la distancia de alumbrado y aquella

desde la cual es visto. Una simple capa de polvo en la superficie de los faros

puede reducir su eficacia hasta en un 10% y la solución es tan sencilla como

pasar de vez en cuando un paño húmedo.” 2

Por tanto, es fundamental que las luces de los vehículos sean de buena calidad y los

usuarios las mantengan en buen estado ya que si se cumplen estos consejos y

recomendaciones es posible reducir multitud de muertes a causa de la falta de visibilidad

al volante.

1.3. Sistemas de iluminación en los automóviles. Evolución

Desde que salió al mercado el primer automóvil, se hizo necesario un sistema de

iluminación que permita al conductor ver y ser visto por los demás, ya sean otros

conductores o peatones. Desde sus inicios el sistema de iluminación ha tenido muchas

transformaciones desde sistemas muy sencillos que solo utilizaban candiles y velas,

hasta llegar a la sofisticación de estos sistemas con la ayuda de la electrónica. En este

punto describiremos la evolución de este sistema y algunos de los prototipos que están a

punto de salir al mercado.

1.3.1. Sistemas de iluminación en los automóviles. Pasado

Los primeros vehículos creados se basaron en los modelos de las carrosas tirados por

caballos. En 1769 salió a la luz el primer vehículo propulsado a vapor fue creado por

Nicholas-Joseph (Véase la Figura 1.1). Se trataba de un verdadero triciclo provisto con

ruedas de madera, llantas de hierro y pesaba 4,5 toneladas. Y como era de suponerse

2 Fundación EROSKI. Op. Cit.

7

adoptaron el sistema de iluminación de aquellos vehículos; es decir, los primeros

automóviles construidos a partir de coches de caballos, aún confían la iluminación a

velas y lámparas de queroseno (Véase la Figura 1.2), las cuales eran colgadas en la parte

más alta del vehículo con la finalidad de iluminar el camino.

Figura 1.1: Primer vehículo propulsado a vapor Figura1.2: lámpara de queroseno

Fuente: Microsoft ENCARTA, Historia del automóvil, 2008.

Luego en 1866 el motor de vapor es reemplazado por un motor de combustión interna el

alemán Gottlieb Daimler construyó el primer automóvil propulsado por un motor de

combustión interna y poco después en 1908 llegan los primeros faros que utilizan

lámparas de gas de acetileno las cuales estaban provistas de espejos y mejores vidrios

para aumentar el caudal de luz, como se muestra en la Figura 1.3.

Figura 1.3: Vehículo provisto con lámpara de acetileno


8

Este tipo de lámpara (Véase la Figura 1.4) se basa en la conocida reacción del carburo

cálcico al entrar en contacto con agua. Así, el carburo en polvo o en forma de Pellet

(Denominación genérica, no española, utilizada para referirse a pequeñas porciones de

material aglomerado o comprimido). Se almacenaba en un pequeño cubículo al fondo de

la lámpara. Sobre el recipiente de carburo aparecía otro, con agua, que iba cayendo gota

a gota, a velocidad controlada por una Espita (Tubo corto que se abre o cierra por el

giro de una llave o mediante una palanca y que se pone en el agujero por donde se vacía

un tonel o un recipiente cualquiera, o en un conducto o cañería para regular el paso de

un fluido, sobre el carburo). Al entrar en contacto el agua con el compuesto cálcico, se

originaba acetileno, gas inflamable, que se conducía hacia una boquilla para ser

prendida y, así, ofrecer una luz potente y limpia la que se podía controlar según el goteo

del agua; este tipo de lámpara podía iluminar durante ocho horas sin ningún problema.

Figura 1.4: Lámpara de gas de acetileno.


En 1881 aparece el primer vehículo Eléctrico de Jeantaud. La corriente necesaria para su

funcionamiento la proporcionan 21 baterías. Una vez que los automóviles dejaron de

tener similitud con las carrozas tiradas por caballos, sus prestaciones comenzaron a

mejorar de forma notable. Los candiles que se utilizaban hasta entonces comenzaron a

ser insuficientes; es decir, proporcionar la visibilidad adecuada al conductor.

Fue entonces, que en 1915 aparecieron los primeros alternadores y los sistemas

eléctricos de iluminación.

9

Los coches comienzan a ser dotados de luces traseras y de pilotos de freno. Los faros

empiezan a ser equipados con bombillas de doble filamento, que proporcionan luz larga

y de cruce intercambiables manualmente como se muestra en la Figura 1.5.

Figura 1.5: vehículo dotado con un sistema de iluminación eléctrico


En la primera y segunda guerra mundial que se dieron en 1914 y 1939 respectivamente,

ambos bandos utilizaron mucho los vehículos a motor, esto hizo que la industria del

automóvil tenga su despegue definitivo que desde entonces ha conocido una marcha

imparable de mejoras e innovaciones. Los sistemas de alumbrado del automóvil

evolucionaron en paralelo a los vehículos de motor. Por lo cual en 1930 los coches

incorporan por primera vez brazos plegables como indicadores de giro; aparecen

también los primeros faros antiniebla y las luces cuneteras.

Ya para 1950 las Tulipas (Pantalla de vidrio a modo de campana transparente, con

forma algo parecida a la de un tulipán) de plástico permiten incorporar los pilotos

traseros en la carrocería. Un año más tarde Ford introduce en el modelo Taunus el

primer intermitente. Siete años más tarde por primera vez los automóviles montan faros

con luces asimétricas, como los de los coches actuales.

En la década de los 60, se lanza al mercado un tipo de lámpara halógena. Sin embargo,

los faros equipados con este tipo de dispositivos tenían sus limitaciones. En concreto,

resultaba difícil concentrar el haz de luz y aprovechar de forma eficiente el flujo

lumínico generado por las lámparas. Para compensar esta desventaja en 1965 aparecen

los primeros faros con doble lámpara halógena H1, pero no fueron suficientes, esto se

dejó notar especialmente a mediados de los 70, cuando la primera crisis del petróleo

http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Traction_avant.jpg

http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Traction_avant.jpg

10

obligó a los fabricantes de automóviles a desarrollar vehículos más aerodinámicos. Esto

exigía a su vez faros de menor diámetro y, consecuentemente, con menor capacidad de

iluminación. Las lámparas halógenas de mayor potencia, como las H4 y las H7, vinieron

a solventar este problema.

La llegada de los intermitentes electrónicos marca el inicio del desembarco de la

electrónica en el automóvil.

A finales de los años 80 también nacieron las parábolas reflectoras de geometría

compleja o free-form reflector, que eran mucho más efectivas que los reflectores

circulares. Estos dispositivos presentan numerosas ventajas. Por un lado, permiten

aprovechar más eficientemente el caudal de luz. Además, gracias a las múltiples caras de

sus parábolas, también logran dirigir mejor la luz, reducir la zona de deslumbramiento y

crear mayores áreas de alumbrado.

1.3.2. Sistemas de iluminación en los automóviles. Presente

Desde 1988 ya los vehículos estaban provistos de un sistema de iluminación muy

eficiente que utiliza lámparas halógenas de gran potencia y faros provistos de parábolas

reflectoras de geometría compleja. A continuación describiremos el funcionamiento de

una lámpara, sus tipos y cuál es su utilización en el vehículo, además explicaremos el

principio de funcionamiento de los faros provistos de parábolas reflectoras.

1.3.2.1. Lámparas incandescentes

“ Las lámparas están constituidas por un filamento de tungsteno o wolframio que se une

a dos terminales soporte; el filamento y parte de los terminales se alojan en una ampolla

de vidrio en la que se ha hecho el vacío y se ha llenado con algún gas inerte (argón,

neón, nitrógeno, etc.); los terminales aislados e inmersos en material cerámico se sacan a

un casquillo, éste constituye el soporte de la lámpara y lleva los elementos de sujeción

(tetones, rosca, hendiduras, etc.) por donde se sujeta al portalámparas como se muestra

en la Figura 1.6.

11

Cuando por el filamento pasa la corriente eléctrica éste se pone incandescente a elevada

temperatura (2000 a 3000ºC) desprendiendo gran cantidad de Luz y calor por lo que se

las conoce como lámparas de incandescencia; en el automóvil se emplean varios tipos

aunque todos están normalizados y según el empleo reciben el nombre, pudiendo ser

para: faros, pilotos, interiores y testigos.

Figura 1.6: Lámpara de incandescencia

Fuente: MECANICAVirtual, Lámparas utilizadas en el automóvil, 2009

Las lámparas de alumbrado se clasifican de acuerdo con su casquillo, su potencia y la

tensión de funcionamiento. El tamaño y forma de la ampolla (cristal) depende

fundamentalmente de la potencia de la lámpara. En los automóviles actuales, la tensión

de funcionamiento de las lámparas es de 12 V prácticamente en exclusiva.

A continuación clasificaremos a las lámparas por la forma de su ampolla.

1.3.2.2. Tipos de lámparas y su utilización en el automóvil:

a) Plafón: Su ampolla de vidrio es tubular y va provista de dos casquillos en ambos

extremos en los que se conecta el filamento (Véase la Figura 1.7). Se utiliza

fundamentalmente en luces de techo (interior), iluminación de guantera, maletero

y algún piloto de matrícula. Se fabrican en diversos tamaños de ampolla para

potencias de 3, 5, 10 y 15 W.

Figura 1.7: Plafón

Fuente: Sabelotodo.org, Sistema de iluminación, 2009

12

b) Pilotos: La forma esférica de la ampolla se alarga en su unión con el casquillo

metálico, provisto de 2 tetones que encajan en un portalámparas de tipo bayoneta

(Véase la Figura 1.8). Este modelo de lámpara se utiliza en luces de posición,

iluminación, stop, marcha atrás, etc. Para aplicación a luces de posición se

utilizan preferentemente la de ampolla esférica y filamento único, con potencias

de 5 o 6 W. En luces de señalización, stop, etc., se emplean las de ampolla

alargada con potencia de 15, 18 y 21 W. En otras aplicaciones se usan este tipo

de lámparas provistas de dos filamentos, en cuyo caso, los tetones de su casquillo

están posicionados a distintas alturas.

Figura 1.8: Pilotos


c) Control: Disponen un casquillo con dos tetones simétricos y ampolla esférica o

tubular. Se utilizan como luces testigo de funcionamiento de diversos aparatos

eléctricos, con potencias de 2 a 6 W. (Véase la Figura 1.9).

Figura 1.9: Control


d) Lancia: Este tipo de lámpara es similar al anterior, pero su casquillo es más

estrecho y los tetones de los que está provisto son alargados en lugar de redondos

(Véase la Figura 1.10). Se emplea fundamentalmente como señalización de

cuadro de instrumentos, con potencias de 1 y 2 W.

13

Figura 1.10: Lancia


e) Wedge: En este tipo de lámpara, la lámpara tubular se cierra por su inferior en

forma de cuña, quedando plegados sobre ella los hilos de los extremos del

filamento, para su conexión al portalámparas (Véase la Figura 1.11). En algunos

casos este tipo de lámpara se suministra con el portalámparas. Cualquiera de las

dos tiene su aplicación en el cuadro de instrumentos.

Figura 1.11: Wedge


f) Foco europeo: Este modelo de lámpara dispone una ampolla esférica y dos

filamentos especialmente dispuestos. Los bornes de conexión están ubicados en

el extremo del casquillo (Véase la Figura 1.12). Se utiliza en luces de carretera y

cruce.

Figura 1.12: Foco Europeo


14

g) Halógena: Al igual que la anterior, se utiliza en alumbrado de carretera y cruce,

así como en faros antiniebla (Véase la Figura 1.13).

Figura 1.13: Halógena


Las lámparas van dentro de los faros que proyectan su luz. Los faros a su vez deben de

llevar a cabo dos tareas opuestas: una trata de conseguir una luz potente para realizar una

conducción segura, con una cierta difusión cerca del vehículo, a fin de obtener una

buena iluminación que permita ver bien el pavimento y la cuneta. Por otra parte, tiene

que evitar que esta potente luz no deslumbre a los conductores de los vehículos que

vienen en sentido contrario, hace falta otra luz más baja o de cruce, que sin deslumbrar,

permita una iluminación suficiente para mantener una velocidad razonable con la

suficiente seguridad. Para lograr todo esto el emisor de luz es colocado dentro de la

parábola la cual determina como será reflejada la luz al exterior esto se explica a

continuación.” 3

1.3.3. Principio de funcionamiento de los faros provistos de parábolas reflectoras

“Cuando el punto brillante se coloca en el foco de la parábola la luz reflejada sale como

un haz concentrado formado por líneas paralelas dirigidas rectas al frente del foco, en

este caso el haz luminoso tiene el máximo alcance y representa la luz de carretera” 4

como se muestra en la Figura 1.14.

3 Dani meganeboy, Lámparas utilizadas en el automóvil, 15 Abril 2008, www.mecanicavirtual.com

4 Anónimo, Sistema de iluminación, 20 Diciembre 2009,

http://www.sabelotodo.org/automovil/sisiluminacion.html

15

Figura 1.14: Punto luminoso en el foco de la parábola


“Si el filamento luminoso se coloca por delante del foco, los rayos reflejados salen de la

lámpara con un ángulo de desviación con respecto al eje de la parábola y el alcance se

reduce” 5 como se muestra en la Figura 1.15.

Figura 1.15: Punto luminoso por delante del foco de la parábola


Si se coloca una superficie reflectora de forma adecuada debajo de la bombilla, que

impida la iluminación de una parte de la parábola, el haz de luz se inclina hacia abajo

como se muestra en la Figura 1.16.

5 Anónimo, Sistema de iluminación, Op. Cit.

16

Figura 1.16: Superficie reflectora debajo del punto luminoso


Con lo cual se consigue la luz corta o de cruce, ya que esta concentra la iluminación en

la zona cercana por delante del automóvil para garantizar la iluminación adecuada del

camino mientras el conductor que circula en sentido contrario se encuentra en una zona

de sombra.

“Para el alumbrado de carretera se obtiene, por consiguiente, una intensidad luminosa

considerable por un haz de rayos paralelos de gran alcance. Pero esto no es lo que se

busca para el alumbrado de carretera ya que se necesita una proyección de luz a gran

distancia, pero que no se concentre en un punto sino que se extienda por toda la anchura

de la carretera. Para lograr este objetivo el deflector o cristal que cubre el foco suele ir

tallado formando prismas triangulares, de tal forma que se consiga una desviación hacia

abajo del haz luminoso y una dispersión en el sentido horizontal” 6 como se muestra en

la Figura 1.17.

Figura 1.17: Deflector de cristal tallado


6 Dani meganeboy, Op. Cit.

17

“El alumbrado de carretera por su intensidad llega a deslumbrar a los conductores de los

automóviles que circulan en sentido contrario. Para evitar esto se dispone del alumbrado

de cruce, que se obtiene instalando un segundo filamento por delante del foco

geométrico de la parábola, con lo que se consigue que los rayos de luz salen de forma

convergentes. Este filamento tiene la peculiaridad de disponer una pequeña pantalla por

debajo de él, que evita que los rayos de luz que despide el filamento hacia abajo, sean

reflejados por la parábola, con lo cual, solamente lo son los que salen hacia la mitad

superior, que parten del reflector con una cierta inclinación hacia abajo, lo que supone

un corte del haz de luz, que incide en el suelo a una menor distancia evitando el

deslumbramiento mientras permite la iluminación del borde del camino y sus áreas

adyacentes para mejorar la seguridad de conducción.

Los filamentos de las lámparas de carretera y cruce se disponen generalmente en una

sola lámpara que tiene tres terminales uno de masa, otro de cruce y el otro de carretera.

La fijación de la lámpara al faro se realiza por medio de un casquillo metálico (G), de

manera que encaja en una posición única, en la cual, la pantalla (C) del filamento de

cruce queda posicionada por debajo de él en el montaje como se muestra en la Figura

1.18. Para ello el casquillo va provisto de un resalte que encaja en el foco en una

posición predeterminada.” 7

Figura 1.18: Esquema de una lámpara de alumbrado (cruce/carretera)


Para aprovechar al máximo la intensidad luminosa del alumbrado de cruce sin

deslumbrar al conductor que viene en sentido contrario, se utiliza un sistema de


18

alumbrado llamado de "haz asimétrico". Este efecto consigue dando una pequeña

inclinación a la pantalla situada por debajo del filamento de luz de cruce, de forma que

el corte de haz de luz se levante en un ángulo de 15º sobre la horizontal a partir del

centro y hacia la derecha. Como se muestra en la Figura 1.19, la parte derecha de la

calzada queda mejor iluminada, permitiendo ver mejor el carril por donde vamos

circulando sin deslumbrar a los conductores que vienen en sentido contrario.” 8

Figura 1.19: Haz de luz asimétrico


1.3.2.4. Lámparas halógenas

“Para aumentar la intensidad luminosa de una lámpara se puede aumentar la temperatura

de funcionamiento de la misma, pero la forma constructiva de las lámparas

incandescentes limitan su temperatura de funcionamiento por lo que también se ve

limitada su intensidad luminosa. Las lámparas halógenas presentan la ventaja de que la

intensidad luminosa es muy superior a la de una lámpara convencional, con un pequeño

aumento del consumo de corriente y una vida más larga de funcionamiento. La ausencia

casi total de ennegrecimiento de la ampolla, hace que su potencia luminosa sea

sensiblemente igual durante toda la vida útil de la lámpara.


19

Figura 1.20: Lámpara Halógena


En la Figura 1.20 puede verse la constitución de una lámpara de halógeno de doble

filamento para carretera y cruce, donde se aprecia la disposición en línea de ellos y la

situación de la pantalla en el de cruce. El extremo de la ampolla está recubierto con

pintura negra especial. La zona recubierta con pintura tiene una influencia directa sobre

la distribución de la temperatura en el interior de la ampolla durante el ciclo de

halógeno.

Atendiendo a la forma de la ampolla, numero de filamentos y posicionamiento de los

mismos, existen básicamente las siguientes clases de lámparas halógenas:

a) Lámparas H1, de ampolla tubular alargada en la que el único filamento está

situado longitudinalmente y separado de la base de apoyo. En su casquillo se

forma un platillo de 11 mm de diámetro. Se utiliza fundamentalmente en

faros de largo alcance y antiniebla, con potencias de 55, 70 y 100 W.

b) Lámpara H2, similar a la anterior en cuanto a filamento y ampolla, pero de

menor longitud y no dispone de casquillo, sino unas placas de conexión. Es

empleada básicamente en faros auxiliares, con potencias similares a la

anterior.

c) Lámpara H3, cuyo único filamento está situado transversalmente sobre la

ampolla y no dispone de casquillo, acabando el filamento en un cable con

terminal conector. Se utiliza principalmente en faros auxiliares antiniebla y

largo alcance, con potencias similares a las anteriores.

20

d) Lámpara H4, que es la más utilizada en luces de carretera y cruce. Sus dos

filamentos van situados en línea alojados en una ampolla cilíndrica, que se

fija a un casquillo con plataforma de disco para su acoplamiento a la óptica

del faro. En algunos casos, la ampolla principal se cubre con otra auxiliar que

puede ser coloreada para aplicación a países que utilizan alumbrado intensivo

con luz amarilla. Generalmente se disponen los filamentos con potencias de

55/60 W (cruce-carretera), 70/75 y 90/100 W.

e) Lámpara H5, que es similar a la anterior, de la que se diferencia únicamente

por el casquillo, como se muestra en la Figura 1.21.

Figura 1.21: Tipos de lámparas halógenas


El empleo de lámpara halógena en lugar de la convencional representa un fuerte

aumento de la energía luminosa. Para la luz de carretera, 1200 lm (lúmenes) en lugar de

los 700 lm de la lámpara convencional y en luz de cruce 750 lm frente a 450 lm. Los

faros halógenos dan una mayor profundidad de visión en la luz de carretera, mientras

21

que en la de cruce, aunque la distancia iluminada es la misma, la luz es mucho más

intensa y el haz luminoso más ancho, lo que permite ver mejor los bordes de la calzada.

Dada la mayor temperatura de funcionamiento de la lámpara halógena y su potencia

luminosa, se hace necesario emplear reflectores apropiados a ellas, cuya fabricación

requiere unos niveles de calidad y precisión netamente superiores a los de un reflector

convencional. En cuanto al cristal de la óptica se refiere, está mucho más cuidado el

tallado de los prismas encargados de dirigir con precisión el haz luminoso,

especialmente con el funcionamiento de la luz de cruce.

Con las lámparas halógenas debe tenerse la precaución de no tocar con los dedos el

cristal de cuarzo, pues aparte de las quemaduras que puede provocar cuando está

caliente, la grasilla depositada con el tacto, produce una alteración permanente en el

cristal con las altas temperaturas. Por esta razón, cuando se haya tocado el cristal, debe

limpiarse con alcohol antes de poner en servicio la lámpara.” 9

A pesar de que este sistema es efectivo, tiene una desventaja; su haz luminoso no es lo

suficientemente intenso (aproximadamente la zona iluminada es de 60 metros) lo que

hace que se reduzca la distancia de visibilidad del conductor por lo cual y siguiendo con

la historia de la evolución del sistema de iluminación en los vehículos, describimos

algunos acontecimientos que año tras año se fueron dando desde 1992 en donde se

desarrolla un sistema de faros con un alto rendimiento luminoso.

En 1992 comienza la fabricación en serie de la primera generación de faros de descarga

de alta intensidad (High Intensity Discharge, HID), más conocido como faro de xenón.

Un año más tarde las pantallas de plástico comienzan a sustituir a las de vidrio en los

faros.


22

En 1994 aparece la tercera luz de freno formada por light emitting diodes (diodos

emisores de luz), más conocidos como LED.

En 1996 se presenta el primer sistema de faros de xenón que incorpora luz larga y de

cruce, el bi-xenón. Al siguiente año, el Salón de Ginebra es el escenario de la

presentación del primer prototipo dotado con faros bi-xenón.

Dos años después en 1998 llegan los primeros pilotos traseros con recubrimiento

metalizado, tan comunes hoy en día.

Ya para 1999 los faros bi-xenón empiezan a ser producidos en serie y se prosigue con el

desarrollo de las unidades de control de los faros HID de cuarta generación.

En las dos últimas décadas se ha desarrollado y construido un sistema de iluminación de

faros de xenón (HID) que pertenece a la generación actual. A continuación se describe

en qué consiste este nuevo sistema.

1.3.2.5. Lámparas de Xenón

Estas lámparas son un sistema de iluminación con alto rendimiento luminoso capaz de

iluminar una zona de más de 140 metros como se muestra en la Figura 1.22, con esto se

logra aumentar la seguridad activa durante la conducción. Se instalan estas lámparas

actualmente en los vehículos de alta gama, aunque también se empiezan a ver cada vez

más en vehículos de gama media.

Figura 1.22: Vehículo equipado con lámparas de Xenón

Fuente: Autocosmos.com, Xenón HID: Lo último en iluminación para tu auto, 2006

23

1.3.2.5.1. Estructura de un faro de xenón

El faro esta formado por una unidad de control y un bloque de encendido, generalmente

vienen incorporados en el faro. Además también existen algunos modelos en los que la

unidad de control está sobre una pletina colocada cerca de las torres de amortiguación.

Por lo general, algunos de los componentes del faro de descarga de gas pueden ser

sustituidos por separado (Véase la Figura 1.23).

Figura 1.23: Estructura de un faro de xenón


1.3.2.5.2. Funcionamiento de un faro de xenón

“Funcionan por descarga de gas, en el interior de la ampolla hay gas xenón y

halogenuros metálicos; para el funcionamiento se requiere un dispositivo electrónico que

debe llevarlo el vehículo que utilice estas lámparas, el dispositivo enciende la lámpara y

controla el arco. Para el encendido el sistema electrónico eleva la tensión entre los

electrodos del interior de la ampolla creándose un arco de luz gracias al gas xenón y a la

gasificación de los halogenuros metálicos. La luz es generada por medio de un arco

voltaico de hasta 30.000 voltios, entre los dos electrodos de tungsteno situados en la

cámara de vidrio. El arco es generado por una reactancia o reacción que produce una

corriente alterna de 400 Hz. En el interior de la lámpara se alcanza una temperatura de

aproximadamente 700 ºC. La temperatura de luz de estas lámparas es de 4100 a 4500ºk

frente a los 3200 de las halógenas, por los que es más blanca” 10

(Véase la Figura 1.24).

10

Dani meganeboy, Op. Cit.

24

Figura 1.24: Partes implicadas en el funcionamiento del faro


Cuando se ha logrado el encendido, la lámpara de descarga de gas funciona

aproximadamente durante 3 segundos después del encendido, con una corriente de

mayor intensidad. El único objetivo de esto es que la lámpara alcance su claridad

máxima con un retardo mínimo de 0,3 segundos. Por este ligero retardo no se utilizan

lámparas de descarga de gas en la luz de carretera.

Debido a la composición química del gas, en la ampolla (bulbo) de la lámpara se genera

una luz con elevados porcentaje de luz verde y azul. Esa es la principal característica de

identificación exterior de la técnica de luminiscencia por descarga de gas.

A continuación se describen algunas de las ventajas de esta novedosa generación de

faros, comparándolos con la tecnología convencional de lámparas:

“El rendimiento luminoso es unas tres veces mayor. Para generar el doble de

intensidad luminosa que una lámpara convencional de 55 W, se utiliza una

descarga de gas de sólo 35 W. De esta manera se reduce el consumo

aproximadamente en un 25%.

La energía eléctrica convertida en calor es mucho menor por lo que se pueden

usar faros pequeños y de materiales plásticos.

25

Banda de luz más amplia. Mediante una configuración especial del reflector,

visera y lente se consigue un alcance superior y una zona de dispersión más

ancha en la zona de proximidad. De esta forma se ilumina mejor el borde de la

calzada, lo cual reduce la fatiga visual del conductor.

La vida útil es de unas 2.500 horas. Cinco veces más que una lámpara halógena.

También presenta algunos inconvenientes:

Tardan 60 segundos en dar luz máxima (3200lm) aunque al segundo dan 800lm

(lúmenes).

Necesitan equipo electrónico de encendido y control.

Se permite el uso solo en combinación con sistemas automáticos de regulación

de altura de la luz de los faros y de lavafaros (lo del lavafaros es para que

siempre estén limpios, pues la suciedad es un aislante térmico y sin evacuaciones

del calor se produce avería segura).

Precio de lámparas e instalación requerida.” 11

1.3.2.5.3. Faros con lámparas de descarga de gas bi-xenón

En el sistema descrito anteriormente era imposible generar las luces de cruce y carretera

utilizando una sola lámpara de descarga de gas. No se podía modificar el límite claro-

oscuro en el funcionamiento. Sin embargo en la actualidad es posible utilizar la luz de

xenón tanto para luz de cruce como para luz de carretera, esto se logra haciendo

intervenir un obturador mecánico “shutter”, cuya posición es conmutada por un

electroimán (Véase la Figura 1.25).

11


26

Figura 1.25: Elementos que forman el foco bi-xenón


Este mecanismo obturador lo que hace es cubrir una parte de la luz generada por la

lámpara, con lo que se obtiene la luz de cruce. Cuando el mecanismo pasa a la posición

de carretera el mecanismo obturador deja pasar la totalidad de la luz generada por la

lámpara.

“Se sigue manteniendo una lámpara H7 para la función de ráfagas, ya que la bombilla de

xenón, debido a las características de inflamación del gas para la producción de luz, no

puede trabajar en la función de apagado y encendido rápido.” 12

1.3.2.5.4. Funcionamiento de un faro bi-xenón

Para el generar la luz de cruce y carretera el obturador mecánico actúa directamente

sobre la lámpara de descarga de gas; el obturador se mueve de adelante hacia atrás esto

hace que la lámpara bascule sobre un eje de arriba hacia abajo, con lo cual el haz de luz

modifica su trayectoria proyectándose hacia abajo (luz de cruce) o hacia arriba (luz de

carretera), como se muestra en la Figura 1.26.

12


27

Figura 1.26: Esquema de funcionamiento de un faro bi-xenón


1.3.4. Sistemas de iluminación en los automóviles. Tendencias de Futuro

Para dotar a los coches de sistemas de iluminación acordes a sus prestaciones cada vez

es más frecuente la utilización de circuitos electrónicos de control en el sistema de

iluminación del automóvil, de esta forma en un auto actual es frecuente que las luces de

carretera se apaguen solas si el conductor se descuida y las deja encendidas cuando

abandona el vehículo, o, las luces de cabina estén dotadas de temporizadores para

mantenerlas encendidas un tiempo después de cerradas las puertas, y otras muchas, lo

que hace muy difícil generalizar, no obstante se tratará de describir el sistema mínimo

necesario. Con todas estas adecuaciones se pretende mejorar la seguridad activa del

vehículo. A continuación se describe algunas tendencias del futuro en los sistemas de

iluminación.

En los próximos años muchos vehículos contaran con un sistema de iluminación interior

basados en la tecnología LED. Además Se anuncia el sistema DynaView, capaz de

orientar los faros del vehículo para iluminar las curvas, que podrá ser adaptado a

cualquier vehículo presente en el mercado. Otra de las tendencias es hacer que las luces

de xenón sean orientables.

28

Y lo último será la posible generalización de los faros de LED para la iluminación de los

vehículos.

Los faros que funcionan sin bombilla y cuya luz es graduable y modulable a voluntad.

Es la tecnología LED, acrónimo del inglés light emitting diodes o diodos emisores de luz

(Véase la Figura 1.27). Se trata, como su nombre indica, de componentes electrónicos

capaces de producir luz. Las ventajas que ofrecen respecto a los faros convencionales

son muchas e importantes: simplicidad, menor consumo, mejor distribución de la luz y

posibilidad de crear zonas de alumbrado, así como capacidad de modular la intensidad

de la potencia lumínica.

Figura 1.27: Automóvil equipado con faros de LED

Fuente: CasaCocheCurro.com, LED, iluminación eficiente que ahorra combustible, 2009

Estos faros suponen la culminación de un proceso de innovaciones que comenzó a

principios del siglo XX, cuando las primeras lámparas eléctricas sustituyeron a los viejos

candiles que el automóvil heredó de los coches de caballos. Desde entonces los

vehículos de motor han visto el paso de los faros halógenos y, sobre todo, la llegada de

los faros de xenón, el sistema más eficaz disponible hoy en día, pero que podría

comenzar a ser reemplazado por la tecnología led a partir de 2010.

Estos sistemas de alumbrado presentan numerosas ventajas sobre los HID. Por una parte,

están compuestos por un gran número de pequeñas lámparas. La intensidad de éstas se

puede variar de forma individual para producir haces de luz de las formas más diversas.

Además, los LED consumen aún menos que las lámparas de xenón y duran tanto como

aquéllas, aunque su respuesta es mucho más rápida.

29

Pero los LED también tienen inconvenientes. Según Wolfgang Peitz, un LED se funde a

80 grados de temperatura, lo que limita su empleo en muchos coches actuales. No

obstante a partir de 2006 se habrá solventado este problema y los faros de LED

comenzarán a instalarse en el automóvil. Pero estima que 2010 podría ser una fecha más

razonable para el inicio de la producción en serie de este tipo de dispositivos, que tienen

un gran potencial y que prometen contribuir a mejorar aún más la seguridad del

automóvil.

1.3.3.1. Faros diurnos

“La iluminación diurna, a diferencia de las anteriores, no sirve para ver, sino para ser

visto (Véase la Figura 1.28). En la actualidad en numerosos países, ya es obligatorio su

uso.

El problema radica en que este tipo de lámparas deberían tener una vida útil más

prolongada y consumir sensiblemente menos que una convencional. Por ello en la

actualidad se apuesta por diodos LED para este tipo de iluminación. La mayor

controversia se presenta en el aumento del consumo de combustible y por tanto en el

aumento de emisiones contaminantes a la atmósfera.” 13

Figura 1.28: Prototipo de vehículo provisto con faros diurnos

Fuente: SANCHES, Miguel, Electromecánica, 2006

13

SANCHES, Miguel, Electromecánica, Marzo 2006,

http://www3.mapfre.com/cesvimaprevista/revista55/pdfs/electromecanica.pdf

30

A continuación se realiza un cuadro de resumen de los acontecimientos más importantes

en la evolución del sistema de iluminación conjuntamente con el año en que sucedieron

(Véase la Tabla 1.1)

1988 Los primeros automóviles aún confían la iluminación a velas y lámparas de

queroseno.

1908 Llegan los primeros faros que utilizan lámparas de gas de acetileno.

1915 Aparece el primer alternador eléctrico para automóvil.

1924 Los faros empiezan a ser equipados con bombillas de doble filamento.

1951 Ford introduce en el modelo Taunus el primer intermitente.

1957 Por primera vez los automóviles montan faros con luces asimétricas, como los de

los coches actuales.

1965 Aparecen los primeros faros con doble lámpara halógena H1.

La llegada de los intermitentes electrónicos marcan el inicio del desembarco de la

electrónica en el automóvil.

1988 Se producen las primeras unidades de faros con parábolas de forma compleja,

mucho más efectivos que los reflectores semicirculares.

1992 Comienza la fabricación en serie de la primera generación de faros de xenón

(HID).

1997 El Salón de Ginebra es el escenario de la presentación del primer prototipo

dotado con faros bi-xenón.

1999 Los faros bi-xenón empiezan a ser producidos en serie.

2002 Se anuncia el sistema DynaView, capaz de orientar los faros del vehículo para

iluminar las curvas. Puede ser adaptado a cualquier vehículo presente en el

mercado.

2003 Se inicia la producción de las primeras luces de xenón orientables.

2010 Posible generalización de los faros de LED.

Tabla 1.1: Acontecimientos importantes en la evolución del sistema de iluminación

Fuente: Los autores

31

1.4. Luces: activas, de curva y antiniebla

Para aumentar la seguridad activa en lo que a iluminación se refiere se han

implementado en algunos vehículos sistemas de luces activos los cuales se detallan a

continuación.

1.4.1. Regulación automática del alcance luminoso

“Para evitar la posibilidad de deslumbrar a los conductores que circulan en sentido

contrario, la legislación obliga a que los vehículos con faros de descarga de gas

dispongan de un sistema regulador automático de alcance luminoso como se muestra en

la Figura 1.29. El perfeccionamiento de este sistema dinámico de reglaje se debe a la

presencia de sensores situados en los ejes delantero y trasero, los cuales trasmiten la

información sobre la situación de la suspensión del vehículo. Los datos recibidos son

tratados electrónicamente y transmitidos a los accionadores situados detrás de los

proyectores de Xenón.” 14

El tiempo de reacción se lo mide en milésimas de segundo con lo cual la posición del

haz de luz es ajustada casi instantáneamente, con lo cual el haz luminoso emitido no

deslumbra a los conductores que circulan en sentido contrario.

Figura 1.29: Funcionamiento de la regulación automática del alcance luminoso


De presentarse alguna avería eléctrica en la regulación automática del alcance del haz

luminoso, los servomotores del sistema desplazan automáticamente el enfoque del haz

14


32

de luz de los faros a su posición más baja. De esta manera, el conductor se percata de la

avería.

1.4.2. Luces activas en curva

El tema de la iluminación en el automóvil, tiene gran importancia en la seguridad activa

ya que si los faros están mal regulados o tienen una iluminación defectuosa, puede ser

muy peligroso en la conducción nocturna, cuando hay gran densidad de circulación, a

gran velocidad o cuando los agentes climatológicos son adversos por esto los

diseñadores están lanzando al mercado un nuevo sistema revolucionario de luces activas.

“El sistema de iluminación orientable o también denominado por sus siglas AFS

(Advanced Frontlighting System) “sistema avanzado de iluminación frontal” está

suponiendo un paso adelante en materia de conducción nocturna. Esta nueva técnica

consiste en iluminar allá donde gira el volante. Por ejemplo cuando el conductor está

dando una curva cerrada y todavía no la ha tomado (aunque está girando el volante para

hacerlo), en vez de iluminar las luces hacia adelante, ya están iluminando el tramo de

curva que todavía no ha realizado.” 15

Los faros adaptativos que iluminan en función de la conducción hacen que los faros

sigan los movimientos direccionales del vehículo, mejorando notablemente la

iluminación en curvas. De este modo, el conductor puede reconocer el trazado de la

curva y detectar posibles obstáculos con mayor rapidez. La luz de giro integrada en los

faros mejora notablemente la iluminación de la calzada, por ejemplo al doblar en un

cruce, al tomar una curva cerrada o al aparcar.

En la actualidad, la marca MERCEDEZ BENZ ha desarrollado en sus vehículos de la

clase M, faros de bi-xenón con luces activas y luz de giro, desarrollando viajes

15

Anónimo, La iluminación del automóvil, 18 Septiembre 2008,

http://www.mewnew.com/Interior/FichaArticulo.aspx?IdArticulo=21155

33

nocturnos más seguros. El resultado es una mejora de la iluminación en curvas de hasta

un 90% como se muestra en la Figura 1.30.

Figura 1.30: Sistema de iluminación orientable

Fuente: Universidad Politécnica de Catalunya, Seguridad activa y pasiva en el automóvil, 2006

A lo largo de todo este capítulo hemos venido hablando de la evolución que ha tenido el

sistema de iluminación hasta el día de hoy. Por lo cual hemos visto conveniente

desarrollar un sistema de luces activas que serian de gran ayuda a los conductores de

nuestro país pues por la situación geográfica del Ecuador, la conducción se hace muy

difícil ya sea por las condiciones meteorológicas o por los accidentes geográficos que

obligan a realizar curvas muy pronunciadas en las carreteras. En los capítulos siguientes

se describirá el diseño y construcción de este sistema el cual se podrá utilizar en la

mayoría de los actuales vehículos.

34

CAPÍTULO 2

DISEÑO DEL SISTEMA ELECTROMECÁNICO DE LUCES

ACTIVAS EN EL VEHÍCULO

SUMARIO

2.1. Introducción.

2.2. Objetivo.

2.3. Elección de determinados elementos electrónicos.

2.3.1. Elección del sensor de posición.

2.3.1.1. Encoders.

2.3.1.1.1. Encoder incremental.

2.3.1.2. Sensor Ultrasónico de posición.

2.3.1.3. Sensor Láser de posición.

2.3.1.4. Sensor Inductivo de posición.

2.3.1.5. Sensor Resistivo de posición.

2.3.1.6. Criterios de selección.

2.3.1.7. Descripción del sensor.

2.3.2. Elección del Actuador.

2.3.2.1. Tipos de motores eléctricos.

2.3.2.1.1. Motor de corriente continua.

2.3.2.1.2. Servomotor.

2.3.2.1.3. Motor paso a paso.

2.3.2.1.4. Motor sin escobillas (Brushless).

2.3.2.2. Comparación entre los diferentes motores.

2.3.2.3. Criterios de selección.

2.3.2.4. Descripción del motor utilizado.

2.4. Descripción de componentes que conforman el circuito electrónico.

2.4.1. Resistencias.

2.4.2. Transistor Tip 31C.

2.4.3. Transistor MJ4502.

2.4.4. Diodo.

2.4.5. Trigger 7414.

2.4.6. Regulador de Voltaje 7805.

2.4.7. Regulador de Voltaje LM317T.

2.5. Diseño del sistema electrónico.

2.5.1. Circuitos electrónicos fallidos.

2.5.1.1. Circuito 1.

2.5.1.2. Circuito 2.

2.5.2. Circuito electrónico definitivo.

2.5.2.1. Calculo del circuito.

2.5.3. Diseño del circuito que indica la posición recta del volante.

2.5.4. Calculo del consumo de corriente del circuito.

35

2.6. Diseño del sistema mecánico.

2.6.1. Introducción.

2.6.2. Diseño.

2.6.2.1. Faro antiniebla.

2.6.3. Mecanismos de transmisión de movimiento.

2.6.3.1. Solución 1: Utilizando engranajes cónicos.

2.6.3.2. Sistema con engranajes cónicos.

2.6.3.3. Solución 2: el eje del motor mueve directo al mecanismo.

2.6.3.4. Sistema en que el motor mueve directamente al mecanismo.

2.6.3.5. Solución 3: Utilizando engranaje y tornillo sin fin.

2.6.3.6. Sistema con engranaje y tornillo sin fin.

2.6.4. Comparación entre los diferentes mecanismos.

2.6.5. Elección del diseño adecuado.

2.6.6. Cálculos de estructura.

2.6.6.1. Diseño de eslabones.

2.6.6.2. Diseño de los pernos que sujetan la estructura.

2.6.7. Cálculos de diseño del mecanismo de tornillo sin fin y engranaje.

2.6.7.1. Cálculos para el tornillo sin fin.

2.6.7.2. Cálculos para la rueda dentada.

2.6.7.3. Relación de transmisión.

2.6.7.4. Calculo de las fuerzas sobre el tornillo sin fin y la corona.

2.6.7.5. La potencia de salida, la potencia de entrada y la eficiencia.

2.6.8. Diseño del disco dentado.

2.6.9. Mecanismo de obtención de la señal que controlará al motor.

2.6.9.1. Sensor óptico.

2.6.9.2. Ubicación.

2.6.9.3. Alternativas.

36

CAPÍTULO 2

DISEÑO DEL SISTEMA ELECTROMECÁNICO DE LUCES ACTIVAS EN

EL VEHÍCULO

2.1. Introducción.

Entre los aspectos de seguridad activa de un vehículo se encuentra el sistema de

luces antiniebla activo que garantice una eficiente y permanente iluminación sobre la

calzada ya sea en la noche o en condiciones climáticas adversas, característica que

los vehículos actuales del medio no cumplen, por contar con un sistema de luces

pasivo o estático. Este problema se comprueba al momento de realizar la maniobra

de viraje en una curva, el haz de luz permanece estático en dirección paralela al

vehículo dejando una zona ciega o poco iluminada, dependiendo del sentido de la

curva.

Por otro lado la situación geográfica del Ecuador es muy irregular en la sierra,

produciendo una vía con varias curvas y condiciones climatológicas impredecibles,

lo cual conformaría una causa para un posible accidente. De ahí que el sistema a

diseñar e implementar soluciona el problema descrito, dando un carácter de activo a

la dirección del haz luminoso, con ello se elimina la denominada zona ciega y se

garantiza la iluminación permanente sobre la vía; ello obviamente pretende disminuir

el riesgo y prevenir los accidentes de tránsito.

El sistema de iluminación orientable también denominado por sus siglas AFS -

Advanced Frontlighting System- (Sistema Avanzado de Iluminación Frontal) está

suponiendo un paso adelante en materia de conducción nocturna. Es una tecnología

que está empezando a ser investigada desde no hace mucho tiempo.

Uno de los pioneros en esta nueva tecnología es la marca MERCEDEZ BENZ que ha

desarrollado en sus vehículos de la clase M, faros de bi-xenón con luces activas y luz

de giro, desarrollando viajes nocturnos más seguros.

Seguidamente como es de suponerse otras marcas de vehículos empezaron a

implementar sistemas parecidos como Opel en sus modelos: Astra, Vectra y Signum.

Y la Serie 5 de BMW.

37

2.2. Objetivo

Pero como se puede observar toda esta línea de vehículos son de lujo y de muy alto

valor por lo que el precio de la implementación de este sistema es muy costoso por lo

cual el objetivo de nuestro proyecto consiste en diseñar e implementar este sistema

pero a un precio accesible y que se pueda adaptar en la mayoría de los vehículos que

circulan en nuestro medio, permitiendo así al conductor una mayor visibilidad en

curvas y en condiciones climáticas impredecibles.

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

la mejora de muchos aspectos del sistema de iluminación de los automóviles.

2.3. Elección de determinados elementos electrónicos

Antes de realizar el diseño del circuito electrónico debemos conocer los tipos de

elementos electrónicos disponibles en el mercado, la elección del mismo será

principalmente de acuerdo a las características de funcionalidad, utilización y

economía.

2.3.1. Elección del 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:

2.3.1.1. Encoders:

Su funcionamiento se basa en un fototransistor y un led, se utilizan ampliamente

encapsulados conjuntamente, formando interruptores ópticos (opto-switch), que

detectan la interrupción del haz de luz por un objeto.

38

2.3.1.1.1. Encoder incremental:

“Este encoder es un transductor rotativo que transforma un movimiento angular en

una serie de impulsos digitales. Estos impulsos generadores pueden ser utilizados

para controlar los desplazamientos de tipo angular o lineal, si se asocian a

cremalleras o husillos, 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 como se

muestra en la Figura 2.1.

Figura 2.1: Encoder incremental

Fuente: BOYLESTAD, Robert. Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos, 2007.

2.3.1.2. Sensor Ultrasónico de posición:

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.

39

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. Como se muestra en la

Figura 2.2 una de sus características es la de tener dos transductores piezoeléctricos

uno que funciona como receptor y el otro como emisor.

Figura2.2: Sensor ultrasónico de posición


2.3.1.3. Sensor Láser de posición:

El principio de funcionamiento es igual al del ultrasónico pero la onda que se utiliza

es un haz láser.

2.3.1.4. Sensor Inductivos de posición:

Son instrumentos electromecánicos en los que las características magnéticas de su

circuito eléctrico cambian en respuesta al movimiento 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 repetitividad.

Su funcionamiento se basa en la utilización de un núcleo de material ferro magnético

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,

40

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 está ampliamente extendido, a

pesar del inconveniente de poder ser aplicado únicamente en la medición de

pequeños desplazamientos.

Se denomina histéresis a la diferencia entre la distancia de activación y

desactivación, como se muestra en la Figura 2.3.

Figura 2.3: Sensor inductivo


2.3.1.5. Sensor Resistivo de posición:

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. En la Figura 2.4 mostramos algunos tipos

circulares”. 16

16

BOYLESTAD, Robert. Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. 8va Edición. 435 p.

41

Figura 2.4: Potenciómetros circulares


2.3.1.6. Criterios de selección:

Los sensores de tipo resistivo se descartan debido a las condiciones de trabajo, el

cual debería ser diseñado específicamente para este sistema, y en caso de instalarlos

estarían funcionando todo el tiempo, caso que provocaría un rápido desgaste.

Otros sensores los descartamos para nuestro proyecto por ser muy caros o difíciles de

encontrar de acuerdo a nuestros requerimientos, 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 encoder, pues

tienen un bajo costo, son fáciles de encontrar en el mercado de acuerdo a las

necesidades y tienen las características suficientes para la aplicación, los golpes y

vibraciones que se producen en el habitáculo del vehículo son pequeños con respecto

a los que puede soportar el sensor.

2.3.1.7. DESCRIPCIÓN DEL SENSOR

Tipo: Encoder

Principio de funcionamiento

Los encoder son sensores formados por fototransistores (Figura 2.5) y un LED

(Figura 2.6).

42

Figura 2.5: Fototransistor Figura2.6: LED


Los fototransistores se polarizan al exponerse con la luz infrarroja, por lo que puede

detectar un objeto si se interpone en el haz luminoso del LED.

El funcionamiento de un fototransistor viene caracterizado por los siguientes puntos:

Al exponer el fototransistor a la luz, los fotones entran en contacto con la base

del mismo, generando huecos y con ello una corriente de base que hace que el

transistor entre en la región activa, y se presente una corriente de colector a

emisor. Es decir, los fotones en este caso, reemplazan la corriente de base que

normalmente se aplica eléctricamente. Es por este motivo que a menudo la

patilla correspondiente a la base está ausente del transistor. La característica

más sobresaliente de un fototransistor es que permite detectar luz y amplificar

mediante el uso de un sólo dispositivo.

El Encoder MOC70T3 es uno de los sensores más utilizados y de fácil adquisición en

los mercados de nuestro medio (Véase la Figura 2.7).

Figura 2.7: Encoder MOC70T3

Fuente: Los Autores

43

Aplicaciones del Encoder MOC70T3

Encendido óptico.- cumple la función de interruptor, que de acuerdo con el

distribuidor de encendido envía una señal para activar o desactivar la bobina

de encendido provocando la chispa que combustiona la mezcla.

Tacómetro.- puede medir las bajas revoluciones de un determinado elemento

rotatorio, el cual debe estar acoplado para que corte la señal del encoder,

enviando una señal al circuito de revoluciones por minuto.

Tipos

NPN.- Un fototransistor es una combinación integrada de fotodiodo y

transistor bipolar npn (sensible a la luz) donde la base recibe la radiación

óptica su simbología esta representada en la Figura 2.8.

Figura 2.8: Simbolo del fototransistor NPN


Materiales

“Los fototransistores se construyen con silicio o germanio, similarmente a cualquier

tipo de transistor bipolar.

La parte exterior del fototransistor está hecha de un material llamado epoxy, que es

una resina que permite el ingreso de radiación hacia la base del transistor.” 17

Conexión de funcionamiento

En la Figura 2.9 se muestra un esquema de conexión de este tipo de sensor, junto con

los cálculos de polarización.

17

BOYLESTAD, Robert. Op. Cit. p. 852

44

Figura 2.9: Esquema de conexión del Encoder MOC70T3

Fuente: Los Autores

El siguiente cálculo, sirve para encontrar el valor de las resistencias que activarán el

encoder, luego del mismo se escogerán valores de resistencias comerciales para su

conexionamiento.

KmA

V

I

VR

mA

V

I

VR

5.22

5

25020

5

2

1

Características técnicas

En Tabla 2.1 se muestran algunas de las características técnicas del Encoder

MOC70T3

Tabla 2.1: Características técnicas del Encoder MOC70T3

Fuente: CATALOGO DE FIRECHILD. Encoder H21A1.

CARACTERÍSTICA

Tipo Fototransistor

Tipo de salida Colector abierto NPN

Anchura de ranura 5mm

Profundidad de ranura 8mm

Tiempo de

ascenso/descenso

13//17μs

Rango de temperaturas

de funcionamiento

-40 - +85°C

45

En la Tabla 2.2 se muestra el rango de funcionamiento del fototransistor y del LED

Fototransistor

LED

Tabla 2.2: Rango de funcionamiento del fototransistor y del LED


2.3.2. Elección del Actuador

Ahora describiremos los tipos de actuadores existentes en el mercado, en este caso

los actuadores moverán al faro antiniebla de forma angular, por lo tanto se deberá

elegir entre motores eléctricos, tomando en cuenta características de funcionalidad y

disponibilidad.

Previo a la elección del motor eléctrico se hablará de los tipos de motores eléctricos

que fueron tenidos en cuenta para ser utilizados.

2.3.2.1. Tipos de 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 ferro magnético, 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

Parámetro Rango Unidad

Voltaje del Colector a Emisor 30 V

Voltaje del Emisor a Colector 5 V

Corriente por el Colector 2 mA

Parámetro Rango Unidad

Voltaje de funcionamiento 5 V

Corriente de funcionamiento 20 mA

46

aparecen las corrientes eléctricas que producen el par de funcionamiento deseado. En

la Figura 2.10 se muestran diferentes tipos de motores eléctricos.

Figura 2.10: Motores Eléctricos


Entre los tipos tenemos más comunes tenemos:

Motor de corriente continua

Servomotor

Motor paso a paso

Motor sin escobillas (Brushless)

A continuación se describirán las características de cada uno de ellos:

2.3.2.1.1. Motor de corriente continúa.

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

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/89/Motors01CJC.jpg

47

se llama colector, y por ello las máquinas de corriente continua se conocen también

como máquinas con colector.


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:

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.

Partes básicas de las máquinas de corriente continua.

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

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.

48

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 ferro magnética, 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.

49

Diagrama de una máquina de corriente continua.

Los componentes de la máquina de corriente continua se pueden apreciar claramente

en la Figura 2.11.

Figura 2.11: Componentes de una máquina de CC


Las partes de la 1 a la 5 forman el inductor. En conjunto las partes 2 y 3 se designan

por polo inductor. La parte 6 constituye el inducido, al que va arrollado un conductor

de cobre formando el arrollamiento del inducido.

Alrededor de los núcleos polares, va arrollando, en forma de hélice, el arrollamiento

de excitación (8). Análogamente cada núcleo de los polos de conmutación lleva un

arrollamiento de conmutación (9). La parte 10 representa el conmutador o colector,

que está constituido por varias láminas aisladas entre sí, formando un cuerpo

cilíndrico.

El arrollamiento del inducido está unido por conductores con las laminas del

colector; inducido y colector giran conjuntamente. Sobre la superficie del colector

rozan unos contactos a presión mediante unos muelles. Dichas piezas de contacto se

llaman escobillas. El espacio libre entre las piezas polares y el inducido se llama

entrehierro.

50

2.3.2.1.2. Servomotor.

Un servomotor (Véase la Figura 2.12) es un dispositivo en forma de caja negra al que

llegan tres cables. Contiene un pequeño motor, una caja de engranajes, un

potenciómetro de un valor aproximado de 5K y un pequeño circuito integrado.

Figura 2.12: 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.

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

51

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.

(Pulse Width Modulation). En la Figura 2.13 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.

Figura 2.13: 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.

52

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 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.

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

53

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.

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.

2.3.2.1.3. Motor paso a paso

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).

54

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.

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.


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

55

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:

1. Controlar el desplazamiento del rotor en función de las tensiones que se

aplican a las bobinas, con lo que podemos conseguir desplazamientos

adelante 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.

56

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

pueden convertirse en unipolares o bipolares.

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 (Véase la Figura 2.14).

Figura 2.14: Posiciones para paso simple


57

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 más 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 (Véase la Figura 2.15).

Figura 2.15: Posiciones para paso doble


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 (Véase la Figura 2.16).

58

Figura 2.16: Posiciones para medio paso


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:

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,

59

siendo los pasos estándar más importantes los que se muestran en la Tabla

2.3.

Tabla 2.3: Pasos estándar más importantes.


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.

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.

2.3.2.1.4. Motor sin escobillas (Brushless)

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 estator 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 estator. Además, en los

motores sin escobillas no existen las tres delgas que eran las que obligaban al rotor a

60

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.

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.

61

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 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.

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.

62

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" permite 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.

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.” 18

2.3.2.2. Comparación entre los diferentes motores.

En la Tabla 2.4 se presentan las ventajas e inconvenientes de los motores

seleccionados:

18

BOYLESTAD, Robert. Op. Cit. p. 904.

63

Tabla 2.4: Comparación entre diferentes motores

Fuente: Los Autores.

2.3.2.3. Criterios de selección

Un motor de corriente continua con o sin escobillas no sirve para controlar una

posición, solo se puede controlar movimiento.

El servo motor es una alternativa fiable por sus características, pero el inconveniente

surge en los costos, en el sensor de tipo resistivo y circuito integrado que lo controla

ya que se ve afectado por el ruido producido por los elementos electrónicos del

vehículo, las cuales pueden traer graves consecuencias en su funcionamiento.

El motor brushless es difícil de conseguir, necesita de una centralita electrónica que

lo gobierne, la cual es complicada de manejar.

Por ello se opta por un motor paso a paso, sus características de torque y ángulo de

fase son adecuadas para el funcionamiento, además los sensores y el circuito que lo

controla es de fácil diseño y construcción.

64

2.3.2.4. Descripción del motor utilizado.

Ahora que ya escogimos el tipo de motor que vamos a utilizar en nuestro sistema,

debemos calcular el torque de funcionamiento, para ello nos valemos de un

dinamómetro (Véase la Figura 2.17), herramienta que nos ayudará a medir la fuerza

necesaria para mover el mecanismo de los faros.

Figura 2.17: Medición realizada con dinamómetro


El dinamómetro marcó aproximadamente una libra fuerza, la cual multiplicamos por

el radio del eje (1cm) que moverá el mecanismo, para así obtener el torque.

mNTorque

cmlbcmlbTorque

ciaDisFuerzaTorque

.0445.0

111

tan

Para escoger el motor debemos tomar en cuenta que debe existir un factor de

seguridad, para que el motor tenga movimientos seguros a pesar de la inercia del faro

en curvas, por ello se escogió un motor de torque 0.12 N.m, dándonos un factor de

seguridad de 2.6.

El motor escogido (Figura 2.18) es de bajo costo, y gran torque, entre sus principales

ventajas es la de poseer un acabado anticorrosivo, esto nos ayuda a preservar la

duración del mismo ya que el motor va a estar expuesto a humedad y corrosión

algunas de sus características técnicas se detallan en la Tabla 2.5.

65

Figura 2.18: Motor paso a paso


ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL MOTOR PASO A PASO

Marca Vexta Torque Máximo 0.12 N.m

Origen Japón Peso 0.55 Kg

Modelo C7080-9212K Corriente por

fase

0.8 A

Tipo Unipolar Paso 1.8º por fase

Dimensiones

(mm)

Alto: 60

Largo: 56

Ancho: 56

Nº de cables 6

Acabado exterior Pintura epoxy

anticorrosiva

Resistencia de

cada bobina

2.5 ohmios

Tabla 2.5: Caracteristicas técnicas del motor paso a paso

Fuente: CATALOGO DE VEXTA. Motor paso a paso C7080.

Sus principales aplicaciones se pueden encontrar en robótica, tecnología

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

impresoras, en sistemas informáticos, manipulación y posicionamiento de

herramientas y piezas en general.

2.4. Descripción de componentes que conforman el circuito electrónico

2.4.1. Resistencias

“Se denomina resistencia eléctrica (Véase Figura 2.19), simbolizada habitualmente

como R, a la dificultad u oposición que presenta un cuerpo al paso de una corriente

eléctrica para circular a través de él. En el Sistema Internacional de Unidades, su

66

valor se expresa en ohmios, que se designa con la letra griega omega mayúscula,

Ω.”19

Figura 2.19: Esquema de conexión de una resistencia


2.4.2. Transistor TIP 31C

El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de

amplificador (Véase las Figuras 2.20 y 2.21)

1. Base

2. Colector

3. Emisor

Figura 2.20: Simbología del TIP 31C Figura 2.21: Esquema del TIP 31C


En la Tabla 2.6 se muestran algunas características técnicas del TIP 31C

Parámetros Rango Unidad

Voltaje Colector-Emisor (Ib=0) 100 V

Voltaje Emisor-Base (Ic=0) 5 V

Corriente del Colector 3 A

HFE 40

Tabla 2.6: Características técnicas del TIP 31C

Fuente: CATALOGO DE MOSPEC. Transistor TIP 31.

19

BOYLESTAD, Robert. Op. Cit. p. 59.

67

2.4.3. Transistor MJ4502

“Transistor PNP de gran potencia (Véase las Figuras 2.22 y 2.23):

1. base

2. emisor

Carcasa: colector

Figura 2.22: Simbología del MJ4502 Figura 2.23: Esquema del MJ4502


En la Tabla 2.7 se muestran algunas características técnicas del MJ4502” 20

PARÁMETROS RANGO

Voltaje Colector-Emisor (Ib=0) 100 V

Voltaje Emisor-Base (Ic=0) 4 V

Corriente del Colector 30 A

HFE 50

Tabla 2.7: Características técnicas del MJ4502

Fuente: CATALOGO DE MOTOROLA. Transistor MJ4502.

2.4.4. Diodo

“Un diodo es un dispositivo semiconductor que permite el paso de la corriente

eléctrica en una única dirección. La simbología se la representa en la Figura 2.24.

Este diodo nos ayuda a dañar el circuito en caso de conectar en sentido contrario los

bornes de alimentación del mismo.” 21

Figura 2.24: Símbolo del Diodo


20

MOTOROLA. Data sheet MJ4502.

21 BOYLESTAD, Robert. Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. 8va Edición. p. 522

68

2.4.5. Trigger 7414

“Es una compuerta lógica negada, sirve para estabilizar la señal en 1 o 0 lógico. La

simbología se la representa en la Figura 2.25 y su rango de funcionamiento en la

Tabla 2.8.” 22

Figura 2.25: Símbolo del Trigger 7414


PARÁMETROS RANGO

Corriente de consumo 18 mA

Corriente máxima de funcionamiento 100 mA

Tabla 2.8: Características técnicas del MJ4502

Fuente: CATALOGO DE TEXAS INSTRUMENTS. Trigger 7414. 1998.

2.4.6. Regulador de Voltaje 7805

Componente electrónico que envía como voltaje de salida 5V, siendo su voltaje

de alimentación 12 V. En la Figura 2.26 se muestra la simbología.

1. Entrada (12V)

2. GND

3. Salida (5V)

Figura 2.26: Simbología del 7805


En la Tabla 2.9 se muestran algunas características técnicas del 7805

PARÁMETROS RANGO

Corriente de salida 1 A

Temperatura de Fucionamiento 0 - 125 ºC

Tabla 2.9: Características técnicas del 7805

Fuente: CATALOGO DE FIRECHILD. Regulador 7805.

22

BOYLESTAD, Robert. Op. Cit. p 314

69

2.4.7. Regulador de Voltaje LM317T

“Componente electrónico que regula voltaje con más rangos de potencia que el 7805,

se ajusta el voltaje de salida con un potenciómetro. La simbología esta en la Figura

2.27.” 23

1. Salida

2. Ajuste

3. Entrada

Figura 2.27: Simbología del LM317T


En la Tabla 2.10 se muestran algunas características técnicas del LM317T

PARÁMETROS RANGO

Corriente de salida 1.5 A

Ajuste 1.2 a 37 V

Temperatura de Fucionamiento 0 - 125 ºC

Tabla 2.10: Características técnicas del LM317T

Fuente: CATALOGO ST. Regulador LM317T.

2.5. Diseño del sistema electrónico

Antes de empezar a diseñar el circuito electrónico, realizaremos el diagrama de

bloques (Véase la Figura 2.28), para entender mejor el funcionamiento del sistema.

En este diagrama de bloques se indica la dirección del procesamiento de datos.

23

BOYLESTAD, Robert. Op. Cit. p.350

LM317T

70

Figura 2.28: Diagrama de Bloques

Fuente: Los Autores

El diseño del sistema electrónico para controlar el motor paso a paso es el básico, se

añadió otros dispositivos ya mencionados los cuales garantizan su buen

funcionamiento en el vehículo.

El diseño atravesó varias etapas, en el trayecto diseñamos circuitos que en la realidad

tenían problemas, a los cuales llamamos circuito fallidos, hasta finalmente diseñar el

adecuado, describiremos cada uno de ellos.

2.5.1. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS FALLIDOS

Los siguientes circuitos son analizados individualmente, según sus inconvenientes,

hasta conseguir el definitivo, que cumpla con la funcionalidad del sistema.

2.5.1.1. CIRCUITO 1

Este es el primer diseño del circuito electrónico que cumple con la funcionalidad del

sistema, entre sus componentes utilizamos un motor paso a paso de pequeño torque

su diseño se muestra en la Figura 2.29.

71

Figura 2.29: Circuito 1

Fuente: Los Autores

Los sensores se los ha representado por interruptores, en la figura del circuito 1, era

necesario tan solo un regulador de voltaje (7805), para que el circuito funcionara,

por que consumía menos de 1A todo el sistema.

INCONVENIENTE

El principal problema del circuito es que al cambiar el motor paso a paso por uno de

gran potencia, el sistema colapsaba debido al poco amperaje que entrega el sistema,

por lo que decidimos construir otro diseño electrónico.

2.5.1.2. CIRCUITO 2

Diseñamos el segundo circuito tomando en cuenta las fortalezas y debilidades del

primer circuito (Véase la Figura 2.30), tan solo debíamos construir una fuente que

regule el voltaje de 12V a 5 V y que sea capaz de abastecer al sistema de suficiente

amperaje, luego de consultar encontramos un circuito interesante y lo pusimos en

práctica.

72

Figura 2.30: Circuito 2

Fuente: Los Autores

Como se puede observar en la Figura 2.30, se añadió al circuito 1 un circuito

electrónico que sirve como fuente para el motor paso a paso únicamente, diseñado

principalmente por 2 transistores de gran potencia y un regulador de voltaje 7805,

sistema capaz de cumplir con las expectativas de funcionamiento.

INCONVENIENTE

Sin embargo como el sistema funciona con dos motores y en este caso solo se diseñó

para uno, de nuevo el circuito fallaba debido al alto amperaje. Finalmente decidimos

construir otro circuito análogo al anterior que servía como fuente, así tendríamos dos

fuentes de voltaje, una para cada motor el circuito queda de la siguiente manera.

73

2.5.2. CIRCUITO ELECTRÓNICO DEFINITIVO

Este es el circuito del sistema que controla los faros antiniebla, posee en total 5

fuentes reguladoras de voltaje de 12V provenientes de la batería convertidos a 5V

para el funcionamiento del sistema. El motivo de construcción de cinco fuentes es

debido al alto amperaje que consume el sistema. Ahora vamos a explicar cada una

de las partes principales del circuito, junto con su funcionamiento.

REGULADORES DE VOLTAJE.- como su nombre lo indica convierten de 12 a 5

voltios para que sea posible el funcionamiento del sistema, en total conforman 5

convertidores de dos tipos:

El convertidor 7805 sirve para alimentar a los sensores encoder.

El segundo convertidor posee un transistor de alta potencia MJ4502 y

un LM317T que ajusta voltaje.

MOTOR PASO A PASO.- es de tipo unipolar, se representa por cuatro bobinas en el

diagrama, cada bobina sirve para mover un paso de giro del motor, cada paso es de

1.8º.

DIODOS TRIGGER.- Es una compuerta lógica negada, sirve para estabilizar la señal

proveniente del Encoder en 1 o 0 lógico.

TRANSISTOR.- dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de

amplificador, activado mediante un Encoder.

ENCODER.- sensor conformado por un LED y un fototransistor, la luz del LED

permite activar al fototransistor, el mismo que al conectarse según el diagrama del

circuito envía señal de 0 y 5 voltios.

En el Anexo 1 se muestra el diagrama del circuito definitivo con cada una de sus

partes.

FUNCIONAMIENTO

La fuente que alimenta a todo el circuito de faros antiniebla activo es la batería del

vehículo que está conectada a través de un relé el cual solo entra en funcionamiento

cuando los faros antiniebla se enciendan y estos faros antiniebla se encienden solo si

las luces de posición están previamente activadas.

74

Por cuestiones de seguridad en la entrada del circuito colocamos un fusible de 10 A,

número (9) en el dibujo, y un diodo (10), el fusible cortará la señal de corriente hacia

el circuito desde la batería en caso de sobrecargas que se hayan producido en la

fuente de voltaje del vehículo y que pueden llevar a colapsar el sistema electrónico,

por otra parte el diodo sirve para proteger al sistema posibles daños que puede causar

el mal conexionamiento de la alimentación.

Luego de la barrera de seguridad por posibles sobrecargas o mal conexionamiento, el

circuito posee una fuente reguladora del voltaje denominada 7805 (7) de baja

capacidad, el nombre que tiene este elemento electrónico es debido a su

funcionamiento, la cual es de regular el voltaje de 12V a 5V, voltaje adecuado para

poner en actividad únicamente a los sensores encoder (6) que orientan al sistema para

empezar el movimiento de los faros antiniebla. Los sensores están estratégicamente

colocados en el habitáculo del vehículo, prevenidos de los cambios climáticos como

agua, polvo y otros agentes que pueden comprometer su funcionamiento. Los

sensores no se verán afectados por las extremidades del conductor ni limitarán las

actividades que normalmente se realizan a la hora de conducir. Los encoder estarán

activados por un disco dentado sujetado a la columna de la dirección, este disco

estará previamente bien diseñado para cumplir con las expectativas de

funcionamiento, también deberá estar pintado de color negro, no reflectivo para que

no afecte al correcto comportamiento de los encoder que se basan funcionamiento en

luces infrarrojas. El cable que transmite los datos desde los sensores hasta el

circuito es de tipo aislante de ruidos, para que los mismos no provoquen fallas en el

sistema.

La señal que envían los sensores posee irregularidades que son compensadas por un

condensador en cada sensor, el condensador es de 0.1 uF, sustentado

matemáticamente, y también se estabiliza la señal con diodos trigger (5), con esto la

señal es prácticamente cuadrada.

Otra de las fuentes reguladoras de voltaje es el LM317T (2), sin embargo esta fuente

es mas versátil, puede regular el voltaje de salida de acuerdo a los requerimientos y

también posee mas capacidad de paso de corriente, a pesar de ello no nos abastece,

por ello decidimos configurar otro conexionado, esta vez le añadimos un transistor de

75

alta potencia de código MJ 4502 (1) a la fuente reguladora de voltaje, el transistor

servirá como drenador de corriente para los casos en que el LM317T no satisfaga las

necesidades del circuito, y con ello no forzamos el funcionamiento del regulador de

voltaje. Los cálculos de las resistencias están realizadas posteriormente pero existe

un método práctico para variar el voltaje de salida, la manera es la de conectar un

potenciómetro en el pin ADJ, así al mover el potenciómetro que regularmente es de

5KΩ, también modificaremos el voltaje de salida, en nuestro caso la resistencia fue

de 470Ω para estabilizar el voltaje en 5V. Con estas adecuaciones el regulador de

voltaje, la corriente que requería el motor paso a paso (6) específicamente fue

solventada sin mayores exigencias.

El conexionado de un motor paso a paso unipolar de 6 cables, 2 comunes y 4

extremos de bobinas es sencillo, solo es cuestión de identificar la secuencia de

alimentación de las bobinas para tener un movimiento progresivo y coherente con el

movimiento del volante, en el circuito los cables comunes son alimentados por las

fuentes reguladoras de voltaje y para controlar el movimiento del motor paso a paso

que mueve los faros a través de un mecanismo, se colocó en los extremos de las

bobinas, transistores comandados por los sensores para que estos a su vez conecten a

tierra a las bobinas suficientemente sincronizado para un buen funcionamiento.

El movimiento de los motores será de medio paso esto generalmente depende de los

sensores que lo comanda, con esta secuencia de medio paso conseguimos

movimientos cada 0.9º, obteniendo gran precisión y progresividad en el giro de los

faros antiniebla. La secuencia de medio paso se la detalla en la Figura 2.31.

76

Figura 2.31: Funcinamiento del motor en configuración de medio paso


2.5.2.1. CÁLCULO DEL CIRCUITO

El cálculo empezará desde los sensores, buscaremos cuál será el valor de las

resistencias adecuadas para su polarización (Véase la Figura 2.32).

Figura 2.32: Cálculo de resistencias de polarización del sensor

Fuente: Los Autores

77

KmA

V

I

VR

mA

V

I

VR

5.22

5

25020

5

2

1

Estos datos se repiten para los cuatro sensores por ello tenemos que según la figura

del circuito:

mAmAmAmAmAI

IIIII

KRRRR

RRRR

8822222222

5.2

250

1

54321

8642

7531

El amperaje que transmite el regulador de voltaje 7805 es de 88mA muy por debajo

de su capacidad máxima de 1A.

Ahora calcularemos el consumo de dos bobinas en paralelo del motor paso a paso.

21201918

18 25.2

5

IIII

AV

R

VI

bobina

bobina

Para poder diseñar un circuito de un regulador de tensión ajustable con un LM317, o

hacer un nuevo diseño del mismo, necesitamos calcular los valores de dos

resistencias, R17 yR19.

Cuando usamos los reguladores de tensión ajustables, como el LM317 (Véase la

Figura 2.33), la entrada de tensión tiene que ser de un valor entre 1,2 y 1,25 V por

encima de la tensión de salida deseada. Esto es debido a que la tensión en la entrada

(ADJ) se compara internamente con una tensión de referencia (Vref) que tiene ese

valor. La tensión de referencia siempre existe en los extremos de la resistencia R17.

Esta junto a la resistencia R19 determinan la corriente que va a pasar por el terminal

ADJ.

78

I6

I10

Figura 2.33: Cálculo de resistencias del regulador de voltaje LM317

Fuente: Los Autores

Generalmente según el catálogo del regulador de voltaje en la resistencia R17 se

puede colocar distintos valores entre 150 Ω y 300Ω, para luego calcular la resistencia

R19 mediante la siguiente formula.

4758.3125

2.152.1

150

19

19

1719

VV

R

VVV

R

VVV

RR referenciasalida

ref

El valor comercial de esta resistencia es de 470 ohmios, con ella podemos calcular la

corriente I6.

9876

17

176 33.8

150

2.1

IIII

mAV

R

VI R

Como mencionamos ya en el funcionamiento el regulador de voltaje se encuentra

funcionando a su mínima capacidad, esto se puede comprobar con la siguiente

fórmula.

13121110

18

1810 1276.0

7.4

6.0

IIII

mAV

R

VI R

79

Esto quiere decir que el regulador de voltaje solo abastecerá de 0.1276 mA al

circuito, del resto de amperaje se encarga el transistor (Véase la Figura 2.34), el cual

hace la función de drenador de corriente, ya que luego de 0.6V se polariza el

transistor de potencia alimenta al circuito que requiere en el peor de los casos 2A, lo

que corresponde al transistor es I14=1.8724A.

I14

Figura 2.34: Esquema de funcionamiento del transistor MJ4502

Fuente: Los Autores

17161514

14 1276.0

IIII

mAI

Luego calculamos la corriente de polarización de este transistor.

3200374.0

12

0374.0150

8724.114

A

V

I

VR

AA

HFE

II

ónpolarizaci

ónpolarizaci

Según el catálogo del LM317 T, la corriente de polarización para el transistor no se

la coloca, ya que es suficiente con la resistencia de 4.7Ω que controla la corriente del

regulador.

Finalmente calculamos la resistencia que sirve para polarizar los transistores TIP 31

que controlan la puesta en funcionamiento del motor a través de cada bobina como

muestra la Figura 2.35.

80

I30

I2 2

Figura 2.35: Esquema de polarización del transistor TIP31

Fuente: Los Autores

161514131211109

30

99

36353433323130

2230

2928272625242322

22

176025.0

6.05

025.040

1

15

5

RRRRRRRR

A

VV

I

VVR

IIIIIII

AA

HFE

II

IIIIIIII

AV

R

VI

BER

bobina

bobina

La ley de Kirchhoff expresa que la suma algebraica de las corrientes que entran o

salen de un nodo es igual a cero.

AI

AAAAAAAAI

IIIIIIIII

8

8724.1126.08724.1126.08724.1126.01276.08724.1

38

38

171316121511101438

En el peor de los casos el paso de corriente cuando todos los sensores y por lo tanto

bobinas del motor estén activados, tendrán una circulación de I39 de acuerdo con el

cálculo, lo cual será el total de consumo del circuito.

AI

AmAI

III

088.8

8088.0

38

38

38139

81

Se realizó un calculo de los dos tipos de condensadores utilizados, el primero C1 que

se encuentra en la entrada al circuito y el segundo tipo C2 en la señal de los sensores,

ahora le vamos a dar un sustento matemático.

rizadodetensiónVm

msTymsTperiodoT

ncirculaciódecorrienteI

Vm

TIC

110, 21

La tensión de rizado que se admite en la salida es la diferencia entre la tensión de

pico y la tensión mínima que puedes tolerar en la salida.

FCFC

V

segAC

V

segAC

Vm

TIC

Vm

TIC

1.04

2

0001.0002.0

2

001.0088.8

21

21

21

Luego de construir el circuito que controla los faros antiniebla, nos encontramos con

otro inconveniente, el problema es que el sistema se puede descalibrar si lo

encendemos en una posición que no esté relacionada con la posición del volante, por

ello optamos por la solución más efectiva, la cual se trata de encender y apagar el

sistema siempre y cuando la dirección del vehículo esté recta, este problema lo

pudimos resolver con un circuito electrónico, a continuación describiremos cada uno

de los elementos que lo conforma.

2.5.3. Diseño del circuito que indica la posición recta del volante

Entre sus componentes tenemos los siguientes:

ENCODER.- sensor óptico que previamente ya lo analizamos en este capítulo, su

conexionamiento se muestra en la Figura 2.36.

82

Figura 2.36: Esquema de conexión del Encoder

Fuente: Los Autores

FLIP FLOP (FF).- de código 74112, este es un circuito integrado conformado por

un ensamble especial de compuertas, su principal función es la de memorizar

estados, es decir tiene memoria electrónica. Su simbología se muestra en la Figura

2.37.

Figura 3.37: Simbología del FF

Fuente: Los Autores

J, K.- son entradas síncronas de control, es decir dependen de CLK

CLK.- entrada de control que afecta a Q, según J y K.

QyQ .- son salidas.

La Tabla 2.11 se muestra el funcionamiento del FF de acuerdo a nuestros

requerimientos, en donde solo utilizaremos el preset (PRE) y el clear (CLK):

83

PRE CLR Q Q

1 1 FF está en modo síncrono, depende de J,K,CLK

1 1 0

1

0 1

No se usa

Tabla 2.11: Funcionamiento del FF

Fuente: Los Autores

En la tabla, tanto el preset (PRE) como el clear (CLK) se activan cuando la señal

pasa de 1 lógico a 0 lógico, al activarse individualmente envía dos tipos de señal.

Un FF en un circuito integrado se lo representa como se muestra en la Figura 2.38,

en la cual constan dos FF, con su respectiva alimentación y tierra.

Figura 2.38: Circuito integrado de un FF

Fuente: Los Autores

CONTADOR.- de código 74192, se encarga de contar en código binario tanto

ascendente por un pin (UP) y descendente por otro (DOWN), tiene entradas para pre

inicio, su representación se muestra en la Figura 2.39.

Figura 2.39: Circuito integrado del contador 74192

Fuente: Los Autores

84

Entre los pines que utilizaremos son los siguientes:

Vcc y GND.- son alimentación y tierra respectivamente,

A, B, C, D.- son entradas numéricas en código binario,

UP y DOWN.- sirven para contar ascendente y descendente respectivamente,

QA, QB, QC, QD.- son salidas numéricas en código binario,

LOAD.- cargan el dato que se encuentra en las entradas numéricas A, B,

C, D para con este código binario empezar el conteo.

COMPUERTA LÓGICA OR.- de código 7432, se representa por el siguiente

símbolo (Véase la Figura 2.40)

Figura 2.40: Símbolo de la compuerta OR

Fuente: Los Autores

La Tabla 2.12 muestra el funcionamiento de la compuerta OR:

A B X

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 1

Tabla 2.12: Funcionamiento de la compuerta OR

Fuente: Los Autores

La expresión booleana o ecuación en la que se basa la compuerta OR es la siguiente:

X=A+B Función de suma

Un circuito integrado posee 4 de las compuertas lógicas OR, cada una con dos

entradas, su esquema se muestra en la Figura 2.41:

85

Figura 2.41: Circuito integrado de la compuerta OR

Fuente: Los Autores

Ya descritos todos los componentes analizaremos la función de este circuito, que es

la de encender un foco ubicado en el tablero de instrumentos siempre y cuando la

dirección del vehículo esté recta, esta señal avisará al conductor de cuando puede

apagar o encender el sistema de faros antiniebla activo. Su conexionado se muestra

en el Anexo 2.

Para explicar mejor el funcionamiento de circuito, esquematizaremos los sensores y

la rueda colocada en la columna de la dirección que los activará (Véase la Figura

2.42).

Figura 2.42: Esquema de la posición exacta de los sensores y el disco que los activa

Fuente: Los Autores

NA.- sensor que pone en funcionamiento el sensor A y desactiva el sensor D

A.- sensor que envía la señal al contador para que este cuente ascendentemente

D.- sensor que envía la señal al contador para que esta cuente descendentemente

86

ND.- sensor que pone en funcionamiento el sensor D y desactiva el sensor A.

Los cuatro sensores están simbolizados por NA, A, D y ND, los cuales van a enviar

una señal de 1 lógico por estar interpuesto entre el led y el fototransistor el disco,

pero este disco posee unas ranuras, que permitirán a los sensores enviar la señal de 0

lógico. El disco estará sujeto a la columna de la dirección y cuando el volante tenga

la dirección recta, el disco se encontrará en la posición que muestra la imagen con

respecto a los sensores, así cuando el volante gire en una u otra dirección activará en

orden los distintos sensores, secuencia que activa al circuito haciéndolo funcionar.

La secuencia se detallará en la Tabla 2.13.

Sentido de giro del volante Secuencia de activación de los sensores

Horario NA > A > D > ND

Antihorario ND > D > A > NA

Tabla 2.13: Secuencia de activación de los sensores

Fuente: Los Autores

De acuerdo con el esquema de la figura, si el volante gira en sentido horario, las

ranuras en el disco accionará el sensor NA, el mismo que através del circuito pondrá

en funcionamiento el sensor A que posteriormente será activado para que este envíe

la señal al contador en el pin ascendente y a su vez desactivará el sensor D, este

sensor D posteriormente será activado pero al no estar en funcionamiento, no podrá

enviar una señal al contador, sin embargo al activar el sensor ND pondrá en

funcionamiento el sensor D, pero no lo activará por que no hay mas ranuras en el

disco.

Si el volante gira en sentido antihorario, las ranuras en el disco accionara el sensor

ND, el mismo que a través del circuito pondrá en funcionamiento el sensor D que

posteriormente será activado para que este envíe la señal al contador en el pin

descendente y a su vez desactivará el sensor A, este sensor A posteriormente será

activado pero al no estar en funcionamiento, no podrá enviar una señal al contador,

sin embargo al activar el sensor NA pondrá en funcionamiento el sensor A, pero no

lo activará por que no hay mas ranuras en el disco.

87

De esta manera contará el circuito contará en sentido ascendente cuando el volante

gire en sentido horario y el circuito contará en sentido descendente cuando el volante

gire en sentido anti horario, haciendo que por cada vuelta del volante cuente 1 unidad

hacia adelante o hacia atrás, permaneciendo el 0 lógico cuando el volante se

encuentre con la dirección recta.

La señal de 0 lógico enviada por el contador de cuatro dígitos, la procesamos para

que se encienda un led verde siempre y cuando se cumpla con esta condición. La

manera más sencilla de cumplir esta condición electrónicamente es utilizando

compuertas OR compuerta que suma las señales, como demostramos en la siguiente

Tabla 2.14.

Señales del contador Compuerta

OR QA QB QC QD

0 0 0 0 0

0 0 0 1 1

0 0 1 0 1

0 0 1 1 1

0 1 0 0 1

0 1 0 1 1

0 1 1 0 1

0 1 1 1 1

1 0 0 0 1

1 0 0 1 1

1 0 1 0 1

1 0 1 1 1

1 1 0 0 1

1 1 0 1 1

1 1 1 0 1

1 1 1 1 1

Tabla 2.14: Comportamiento del circuito de compuertas OR (Tabla de Verdad)

Fuente: Los Autores

88

Como se aprecia en la tabla de verdad, solo cuando existe un cero en las cuatro

señales de salida del contador, la señal de la compuerta OR es cero lógico, pero si tan

solo una o mas de las señales de salida del contador son uno lógico, la señal de la

compuerta OR será uno lógico.

Para encender el LED conectaremos el mismo a +Vcc y el extremo negativo lo

conectaremos a la señal de la compuerta OR, como se muestra en la Figura 2.43.

Figura 2.43: Esquema simbólico del conexionado de las compuertas OR

Fuente: Los Autores

Se decidió colocar un LED rojo en el tablero que servirá para calibrar los faros en la

posición recta, solo fue necesario colocar un encoder cerca del mecanismo que

mueven a los faros, y un elemento que lo active en determinada posición. El

conexionado se muestra en la Figura 2.44.

Figura 2.44: Circuito para la calibración de los faros

Fuente: Los Autores

89

Finalizamos el diseño del circuito mencionando que el cálculo de corrientes no es

necesario ya que todas las corrientes están en el orden de miliamperios.

2.5.4. CALCULO DE CONSUMO DE CORRIENTE DEL CIRCUITO

“Según datos recogidos del manual de reparación del corsa evolución 1.8, el

alternador genera 13.5 V y 100A, pero no conocemos el consumo de todos los

circuitos eléctricos del vehículo como el sistema de encendido del motor, el

alumbrado, el audio, etc.

Para obtener el consumo de corriente del sistema eléctrico y electrónico del vehículo

corsa evolution 1.8, analizamos cada elemento de la caja de fusibles (Véase la Figura

2.45)

Figura 2.45: Caja de Fusibles

Fuente: MANUAL DE TALLER, Corsa Evolution 1.8. 2002.

De ahí seleccionaremos los sistemas que permanecen encendidos durante largos

periodos de tiempo. En la tabla 2.15 se detalla el consumo de corriente de cada

sistema.” 24

CIRCUITO CONSUMO DE CORRIENTE

Módulo Electrónico del Motor 5 A

Tablero de instrumentos 7.5 A

Bomba de combustible, válvula de inyección. 25 A

Módulo de la bobina de encendido 15 A

Luz Alta derecha e izquierda 15 A

24

MANUAL DE TALLER. Corsa Evolution 1.8. p. 1479

90

Luz de Freno derecha e izquierda 7.5 A

Ventilador del radiador 25 A

TOTAL 90 A

Tabla 2.15: Consumo de Corriente de cada sistema

Fuente: Los Autores

El total de consumo de los sistemas eléctricos y electrónicos que permanecen

habitualmente encendidos es 90 A y el sistema de faros activo consume 10 amperios,

quiere decir que el alternador abastece al sistema.

2.6. Diseño del sistema mecánico

2.6.1. Introducción

Como ya se menciono anteriormente el objetivo del diseño de este sistema es

permitir al conductor tener más visibilidad al momento de tomar una curva, esto se

logra haciendo girar los faros en función del ángulo de giro del volante, por lo cual se

hace necesario un sistema mecánico que comandado por una centralita electrónica,

mueva los faros en la manera deseada.

A la hora de diseñar un mecanismo para el movimiento de los faros, nos fijaremos en

varios aspectos como pueden ser: Espacio disponible, precisión, coste y sencillez de

construcción y montaje.

El sistema que diseñaremos a continuación será colocado en un vehículo Chevrolet

Corsa Evolution por lo cual debemos estar seguros del espacio que disponemos en la

parte frontal del vehículo que es en donde van a ir colocados los faros antiniebla


91

Figura 2.46: Espacio del vehículo donde se colocarán los faros antiniebla

Fuente: Los Autores

En la Figura 2.46 se puede observar el lugar en donde van a ir colocados los faros

antiniebla activos, es un espacio relativamente amplio capaz de alojar al mecanismo

de movimiento de los faros.

Al momento de diseñar el sistema, obtuvimos diferentes opciones en cuanto a

mecanismo se refiere finalmente se eligió uno de ellos el cual era el que mejor

cumplía con las restricciones.

2.6.2. Diseño

Para diseñar el sistema del faro tomáremos en cuenta tres aspectos importantes:

1. El sistema debe sujetar al faro antiniebla correctamente.

2. El sistema debe sujetarse a la carrocería del vehículo de manera que este

permanezca bien fijo.

3. El sistema debe permitir el movimiento del faro de manera suave.

Debido a que en el mercado local existe una gama muy amplia de modelos de faros

antiniebla empezaremos por elegir un modelo en particular a partir del cual

empezaremos nuestro diseño.

2.6.2.1. Faro antiniebla

El faro antiniebla elegido es de forma circular como se muestra en la Figura 2.47

facilitando así nuestro diseño.

92

Figura 2.47: Faro antiniebla

Fuente: Los Autores

Por lo tanto necesitamos un anillo circular para que sujete al faro (1), un sistema de

buje (2), pasador (3) y rodamiento (4) para que el faro gire libre y un elemento que se

sujete a la carrocería del vehículo (5) quedando nuestro diseño como se ve en la

Figura 2.48.

Figura2.48: Partes del sistema de sujeción de los faro

Fuente: Los Autores

93

2.6.3. Mecanismos de transmisión de movimiento

A continuación se presentan las diferentes opciones de mecanismos los cuales

transmitirán el movimiento desde los motores hacia los faros antiniebla, también se

describen sus ventajas y desventajas.

2.6.3.1. Solución 1: Utilizando engranajes cónicos.

Los engranajes cónicos como se ve en la Figura 2.49 tienen como finalidad la

transmisión del movimiento entre árboles que se cruzan formando un ángulo

determinado. Se trata de troncos de cono con dientes tallados en su superficie lateral.

Los dientes pueden ser rectos o bien curvos (hipoides). Aunque los engranajes

cónicos se fabrican normalmente para transmitir movimiento entre ejes

perpendiculares (a 90º), también se fabrican para transmitir movimiento entre ejes

situados en ángulos diferentes de 90º. Podemos ver engranajes cónicos en casi todas

las cadenas cinemáticas de cualquier máquina Los engranajes cónicos y los

engranajes hipoides son también muy utilizados en los sistemas de transmisión de los

automóviles.

Figura 2.49: Engranajes cónicos

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

motor, de forma que ante cualquier giro del mismo, el piñón se mueve también y otro

que gire solidario con el eje que dará el movimiento al faro. Al engranaje que gira

con el motor le llamaremos piñón y al otro rueda. Sabiendo el ángulo máximo que

tiene que girar el faro se puede obtener la relación de transmisión entre los dos

engranajes y conocer todos los parámetros. Se utilizan piñones cónicos debido a que

se necesita hacer un cambio de movimiento.

94

2.6.3.2. Sistema con engranajes cónicos

En la Figura 2.50 se muestra un diseño de la estructura de sujeción de los faros junto

con el mecanismo de transmisión de movimiento de engranajes cónicos en donde se

describen sus partes desde diferentes perspectivas.

Figura 2.50: Sistema con engranajes Cónicos

Fuente: Los Autores

2.6.3.3. Solución 2: el eje del motor mueve directo al mecanismo

Otra solución más sencilla se logra haciendo que el eje del motor mueva

directamente al mecanismo sin necesidad de ninguna unión mediante piñones, es una

solución más simple que la anterior pues todo el torque del motor se transmite

directamente al mecanismo, además como ejemplo con el motor paso a paso la

95

relación será directa es decir: si el motor gira 2 grados el mecanismo y por

consiguiente el faro también girará 2 grados.

2.6.3.4. Sistema en que el motor mueve directamente al mecanismo


con el mecanismo de transmisión de movimiento directo del motor además se

describen sus partes desde diferentes perspectivas.

Figura 2.51: Sistema en que el motor mueve directamente al mecanismo

Fuente: Los Autores

96

2.6.3.5. Solución 3: Utilizando engranaje y tornillo sin fin

Los engranajes de tornillo sinfín son un caso particular dentro de los engranajes

helicoidales, en los que el piñón es un tornillo con una rosca helicoidal que tiene una

o varias entradas.

Al número de hélices se denomina número de entradas y es equivalente al número

de dientes que tendría el piñón. El tornillo sería, pues, un piñón con tantos dientes

como hélices o entradas tenga el tornillo, normalmente 1, 2 o 3.

El tornillo sinfín puede engranar exteriormente con una rueda dentada, formando lo

que se conoce como mecanismo de sinfín-corona como se ve en la Figura 2.52. La

corona es una rueda con un dentado especial, sus dientes cóncavos logran un mejor

acoplamiento con el tornillo.

Figura 2.52: Mecanismo de sinfín-corona

Una propuesta más que se toma en cuenta en este diseño es la utilización de un

tornillo si fin y un piñón, en donde el tornillo sin fin se colocará solidario al eje del

motor, y el piñón solidario al mecanismo que sirve para mover al faro, este tipo de

mecanismo tiene una ventaja pues el movimiento tiene una sola dirección es decir

que el movimiento que ingresa por el tornillo sin fin puede mover con facilidad al

piñón, pero muy difícilmente el movimiento que ingresa por el piñón puede mover al

tornillo sin fin, característica que nos puede servir de mucho al momento de diseñar

el sistema electrónico.

97

2.6.3.6. Sistema con engranaje y tornillo sin fin


con el mecanismo de transmisión de movimiento de engranajes y tornillo sin fin en

donde se describen sus partes desde diferentes perspectivas.

Figura 2.53: Sistema con engranaje y tornillo sin fin

Fuente: Los Autores

2.6.4. Comparación entre los diferentes mecanismos

En la Tabla 2.16 se presentan las ventajas e inconvenientes de los mecanismos

seleccionados:

98

A Favor En contra

Sistema con

engranajes

cónicos

Transmisión del movimiento para

transmitir movimiento entre ejes

perpendiculares.

Fácil cálculo de la relación de

transmisión.

Se puede controlar con mejor

eficiencia el ángulo de giro del

faro.

La transmisión de

movimiento desde el faro

hacia el motor se hace sin

dificultad, provocando así

que el faro gire cuando el

motor está apagado.

Su construcción es muy

difícil y costosa,

Sistema en que

el motor

mueve

directamente al

mecanismo

Es más sencillo y fácil de construir

que el anterior.

Todo el torque del motor se

transmite directamente al

mecanismo.

la relación de transmisión será de

1:1. Es decir: si el motor gira 2

grados el mecanismo y por

consiguiente el faro también girará

2 grados.

No se necesita cálculos de relación

de transmisión.

Este tipo de mecanismo

necesita que el motor este

energizado todo el tiempo

para evitar que el faro

gire.

Si el motor no está

energizado el faro girará

repentinamente cuando el

vehículo tome una curva,

esto provoca que todo el

sistema falle.

Debido a la necesidad de

que el motor este siempre

energizado, este sistema

provocaría el deterioro

prematuro del motor.

Sistema con

engranaje y

tornillo sin fin

El movimiento tiene una sola

dirección.

El movimiento que ingresa por el

tornillo sin fin puede mover con

facilidad al piñón, pero muy

difícilmente el movimiento que

ingresa por el piñón puede mover

al tornillo sin fin.

La transmisión de movimiento se

da con mayor suavidad.

Es de construcción

complicada y de alto valor

económico.

Difícil obtención de la

relación de transmisión.

Tabla 2.16: Comparación entre los diferentes mecanismos

Fuente: Los Autores

99

2.6.5. Elección del diseño adecuado.

El diseño más adecuado es el de tornillo sin fin y piñón debido a que como ya

explicamos anteriormente el movimiento tiene una sola dirección es decir que el

movimiento que ingresa por el tornillo sin fin puede mover con facilidad al piñón,

pero muy difícilmente el movimiento que ingresa por el piñón puede mover al

tornillo sin fin con esto evitamos que el faro se mueva cuando el circuito electrónico

se apaga, pues también el motor se queda sin corriente provocando así que el faro se

mueva sin control.

Este tipo de falla se da en los diseños anteriores tanto en el de piñones cónicos como

en el otro diseño en donde el eje del motor mueve directamente el mecanismo del

faro. El sistema requiere que los faros permanezcan estáticos cuando estos están

apagados y empiecen a moverse cuando se encienden, los sistemas anteriormente

mencionados requerían que el motor este siempre energizado para evitar que los

faros se muevan cuando estos se apagan entonces el motor actúa como una especie

de freno, pero no es conveniente que el motor siempre este energizado ya que se

calentaría demasiado provocando que el motor se dañe.

2.6.6. Calculo de la estructura

A continuación se realizará el cálculo de la estructura que sujeta el faro, para ello

realizamos el diagrama de cuerpo libre como se muestra en la Figura 2.54.

Figura 2.54: Diagrama de cuerpo libre de la estructura

Fuente: Los Autores

100

El eslabón AC tiene una longitud de 122 mm

El eslabón BD tiene una longitud de 200 mm

Primero encontramos las dimensiones exactas a la que se encuentran colocados los

brazos sujetadores, para ello formamos triángulos y con la ayuda del teorema de

Pitágoras encontramos los valores como se muestra en la Figura 2.55.

Figura 2.55: Triángulos formados en la estructura.

Fuente: Los Autores

cmX

X

53

202255

En las siguientes Figuras 2.56 y 2.57 se muestran los triángulos formados por el

eslabón BD y por el ángulo que forma es eslabón con el eje X respectivamente.

Figura 2.56: Triangulo formado por el eslabón BD Figura 2.57: Triángulo por el ángulo del eslabón BD con el eje X.

Fuente: Los Autores

101

mma

a

a

bha

bah

120

2560040000

160200 222

222

222

mma

a

a

mmb

senb

b

2.77

50·cos120

12050cos

92

50·120

12050sin

En las Figuras 2.58 y 2.59 se muestran los triángulos formados por el eslabón AC y

por el ángulo que forma es eslabón con el eje X respectivamente.

Figura2.58: Triangulo formado por el eslabón AC Figura 2.59: Triángulo por el ángulo del eslabón AC con el eje X.

Fuente: Los Autores

mma

a

bha

bah

9.109

53122 222

222

222

mma

a

a

mmb

senb

b

2.106

15·cos9.109

9.10915cos

5.28

15·9.109

9.10915sin

Luego de haber calculado todas las dimensiones a las que se encuentran ubicados los

eslabones AC y BD (Véase la Figura 2.60), se procede al cálculo de las fuerzas

aplicadas en cada una de ellas.

102

Figura 2.60: Dimensiones a las que se encuentran colocados los eslabones.

Fuente: Los Autores

La fuerza del faro antiniebla (Fn) es de 0.5 Kg. kgk

5.0

Vector de posición BD

kjir BD 1602.7792

Vector unitario

BD

BD

BDr

r

25

kji

kji

kji

r

r

BD

BD

BD

BD

BD

8.0386.046.0

200

1602.7792

1602.7792

1602.7792

222

25

HIBBELER, Mecánica Vectorial para Ingenieros Estática, 10ma

. Edición, Editorial Prentice-Hall,

México 2004, p. 43.

103

Fuerza FBD

BDnBD FF

26

Vector de posición AC

kjir AC 532.1065.28

Vector unitario

kji

kji

kji

r

r

AC

AC

AC

AC

AC

43.087.023.0

06.122

532.1065.28

532.1065.28

532.1065.28

222

Fuerza FAC

En la Figura 2.61 se muestran las fuerzas aplicadas en cada uno de los eslabones

26

HIBBELER. Op. Cit. p. 58.

kgF

F

kjikFF

AC

AC

ACnAC

215.0

43.05.087.0023.00

43.087.023.05.0

kgF

F

kjikFF

BD

BD

BDnBD

4.0

8.05.0386.0046.00

8.0386.046.05.0

104

Figura 2.61: Fuerzas aplicadas en los eslabones.

Fuente: Los Autores

2.6.6.1. Diseño de los eslabones

Los eslabones serán fabricados de un Acero Estructural ASTM A36 (Véase Anexo 3)

que es el que se comercializa en nuestro medio. Este acero tiene un esfuerzo normal

último de 400 MPa.

Esfuerzo Permisible

..SFperm

27

MpaMPa

perm 3.1333

400

Área requerida por la sección transversal del eslabón AC

perm

req

PA

28

20158.03.133

11.2mm

MPa

NAreq

27

BEER, JOHNSTON, DEWOLF, Mecánica de materiales, 3ra

. Edición, Editorial McGraw-

Hill/Interamericana, México 2004, p. 31.

28 Idem., p. 31.

105

Área requerida por la sección transversal del eslabón BD

20291.03.133

92.3mm

MPa

NA

PA

req

perm

req

Esfuerzo Promedio del eslabón AC

Área de la sección transversal = 72.16 mm2

A

FpromAC

29

kPammx

NpromAC 30

10216.7

11.225

Esfuerzo Promedio del eslabón BD

Área de la sección transversal = 72.16 mm2

kPammx

N

A

F

promAC

promBC

5410216.7

92.325

Se observa que el perfil seleccionado cumple con las exigencias del diseño, como la

estructura va a estar sometido a vibraciones debido a las irregularidades de nuestras

carreteras y que son muy difíciles de determinar el perfil fue sobredimensionado por

lo que utilizamos un perfil de tipo rectangular de 8

516

3 x

2.6.6.2. Diseño de los pernos que sujetan la estructura

Los pernos utilizados son de un acero de bajo carbono SAE1 (Véase Anexo 4) que

tienen un esfuerzo último al corte de 228 MPa.

Los pernos se encuentran en cortante simple como se muestra en la Figura 2.62.

29

BEER, JOHNSTON, DEWOLF. Op. Cit. p. 6.

106

Figura 2.62: Diagrama de cuerpo libre de una unión empernada en cortante simple

Fuente: BEER, JOHNSTON, DEWOLF, Mecánica de Materiales, 2004.

..SFperm

30

MPaMPa

perm 763

228

Área de perno requerida en la unión A

2028.076

11.2mm

MPa

NA

FA

reqA

perm

ACreqA

mmmm

r

r

rAreqA

094.0028.0

028.0

028.0

2

2

2

Por lo tanto el diámetro del perno en la unión A es de 0.18 mm

Área de perno requerida en la unión B

2052.076

92.3mm

MPa

NA

FA

reqB

perm

BDreqB

mmmm

r

r

rAreqB

128.0052.0

052.0

052.0

2

2

2

Por lo tanto el diámetro del perno en la unión A es de 0.26 mm

El diámetro de los pernos será de 6 mm debido a que soportaran vibraciones y el

peso de la estructura.

30


107

Esfuerzo promedio en los pernos elegidos

A

F

A

PpromA

31

kPamx

NpromA 55.74

1083.2

11.225

2523

2

1083.2103 mxmxA

rA

kPamx

N

A

F

A

P

promB

promB

5.1381083.2

92.325

Se observa que los pernos elegidos cumplen satisfactoriamente las exigencias del

diseño.

Esfuerzo de apoyo en las conexiones (Véase la Figura 2.63)

Figura 2.63: Esfuerzos en los apoyos de las conexiones

Fuente: BEER, JOHNSTON, DEWOLF, Mecánica de Materiales, 2004.

td

P

A

PbA 32

kPamxmx

N

td

P

A

P

kPamxmx

N

bB

bB

bA

5.136107·101.4

92.3

5.73107·101.4

11.2

33

33

Es menor al esfuerzo permisible de los eslabones si cumple.

31


32 Idem., p. 39.

108

2.6.7. Cálculos de diseño del mecanismo de tornillo sin fin y engranaje.

El tornillo sin fin será de tipo cilíndrico por lo tanto se lo denomina de envolvente

simple. Para este caso en que el eje del tornillo sin fin es perpendicular al eje de la

rueda dentada, el paso axial del tornillo sin fin y el paso circunferencial de la rueda

dentada es el mismo, así como también el ángulo de avance (Véase la Figura 2.64).

Figura 2.64: Cotas del mecanismo de tornillo sin fin y engranaje

Fuente: MOTT, Robert, Diseño de elementos de Máquinas, 2004.

2.6.7.1. Cálculos para el tornillo sin fin

Número de filetes del tornillo sin fin: 4

Según los pasos normalizados en Norteamérica se consideró el siguiente: 4

1

pulgadas ó 0.635 cm.

El avance del tornillo (l), es la distancia que se desplazará un punto sobre la hélice

cuando se hace dar al tronillo una revolución completa.

Npxl . 33

Donde px es el paso axial y N el número de filetes 33

MOTT, Robert, Diseño de elementos de Máquinas, 4ta. Edición, Editorial Prentice-Hall, México

2004, p. 341.

109

cmcml 54.24635.0

El avance y el ángulo de avance están relacionados de la manera siguiente:

d

l

.tan 1

34

Donde d es el diámetro de paso del tornillo

º57.54

7.0.

54.2tan 1

cm

cm

No existe una relación definida entre el número de dientes y el diámetro de paso del

tornillo sin fin, pero debe ser el mismo que el de la fresa maestra que se use para

cortar los dientes del engrane del tornillo sin fin.

Diámetro de paso del tornillo sin fin: 7mm

2.6.7.2. Cálculos para la rueda dentada:

Número de dientes de la rueda dentada: 60

Como el paso es el mismo que el del tornillo sin fin tenemos que p = 0.635 cm

El diámetro de paso de la rueda dentada es:

cm

cmpNDpg 1275.12

635.0.60.

Se puede obtener la altura de diente satisfactoria que siga teniendo aproximadamente

la proporción correcta respecto al ángulo de avance, haciendo que la altura sea una

proporción del paso circular normal.

El paso circular normal se obtiene mediante la siguiente fórmula:

cmPcn

CoscmPcn

CospxPcn

368.0

º57.54.635.0

.

34

MOTT, Robert. Op. Cit. p. 342.

110

Se obtienen las proporciones siguientes para la altura del diente tanto del tornillo

como de la rueda dentada.

cmPcnuraHo

cmPcncompletaAltura

cmPcnAddendum

0184.0.05.0lg

2342.0.6366.0

11.0.3183.0

2.6.7.3. Relación de Transmisión

Con frecuencia los filetes del tornillo sin fin se les menciona como dientes.

154

60

Nt

NrRt

Significa que por cada 15 vueltas que se mueva el tornillo sin fin, la rueda dentada se

moverá una vuelta.

Así también el torque transmitido desde el motor (Tt) hasta el faro (Tr) se elevará

hasta conseguir movimientos que aseguren la funcionalidad.

mNmNTr

Tt

TrRt

.8.1.12.015

15

111

2.6.7.4. Calculo de las fuerzas sobre el tornillo sin fin y la corona (Véase la

Figura 2.65)

Figura 2.65: Fuerzas sobre un tornillo sinfín y una corona


lg·062.1

2.015

3

15

60

4

lg775.4

57.54

pulbT

rpmVR

nn

VR

N

N

puD

motor

wG

G

w

G

Angulo de presión normal.

91.1157.54·cos20tantan

costantan

1

1

n

tn

112

Otros valores necesarios

405.157.54tantan

814.057.54sinsin

579.057.54coscos

978.091.11coscos

206.091.11sinsin

n

n

Fuerza tangencial sobre la corona

G

tGD

TW 2

35

lb

pu

pulb

D

TW

G

tG 446.0lg775.4

lg·062.122

Velocidad de la línea de paso de la corona

12

GGtG

nDV

36

min

07958.012

2.0775.4

12

piesnDV GG

tG

Velocidad de deslizamiento

sin

tGs

VV

37

min1.0

57.54sin

07958.0

sin

piesVV tG

s

Coeficiente de fricción

35


36 Idem., p. 480.

37 Idem., p. 480.

113

Figura 2.66: Coeficiente de fricción en función de la velocidad de deslizamiento


Según la Figura 2.66, con una velocidad de deslizamiento de se tiene

11.0

Fuerza axial sobre la corona

sincoscos

cossincos

n

ntGxG WW

38

lbW

W

xG

xG

804.0

814.011.0579.0978.0

579.011.0814.0978.04461.0

Fuerza radial sobre la corona

sincoscos

sin

n

ntGrG

WW 39

lbW

W

rG

rG

21.0

477.0

1.0

814.011.0579.0978.0

206.0446.0

2.6.7.5. La potencia de salida, la potencia de entrada y la eficiencia.

Potencia de salida

63000

GnTP 40

38


39 Idem., p. 480.

40 Idem., p. 480.

min1.0

pies

114

HpxP

rpmpulbnTP G

6105.3

63000

2.0lg·062.1

63000

Fuerza de fricción

sincoscos

n

tGf

WW 41

lbW

W

f

f

120.0

4767.0

04906.0

Pérdida de potencia debido a la fricción

33000

fs

L

WvP

42

lbxP

P

L

L

71009.3

33000

0102.0

Potencia de entrada

Li PPP 43

HpxP

xxP

i

i

6

76

10809.3

1009.3105.3

Eficiencia

%100iP

P 44

%8.91

%10010809.3

105.36

6

Hpx

Hpx

41

MOTT, Robert. Op. Cit. p. 481. 42

Idem., p. 481. 43

Idem., p. 481. 44

Idem., p. 481.

115

2.6.8. Diseño del disco dentado

El disco dentado activará los sensores cortando la luz entre sus elementos, por lo que

el diseño de este disco es de vital importancia para el desempeño del circuito,

consiguiendo con ello la magnitud de movimiento angular de los faros, pero a su vez

tiene que estar relacionado con el tamaño de los sensores junto con su disposición en

el vehículo, el espació en el habitáculo del vehículo y la relación que tiene el

mecanismo transmisión desde el motor paso a paso hasta el faro.

El principal objetivo de diseño de la rueda es conseguir mover el faro en un ángulo

de 20º como máximo tanto hacia la derecha como hacia la izquierda, aunque sería

conveniente reducir el ángulo de giro hacia la izquierda para no deslumbrar al

conductor del vehículo que circula en dirección contraria.

En cuanto al volante del vehículo, sus ángulos de giro con respecto a la dirección

recta se muestran en la Tabla 2.17:

GIRO DEL VOLANTE

IZQUIERDA DERECHA

585º 630º

Tabla 2.17: Ángulos de giro del volante de la dirección

Fuente: Los Autores

Para el cálculo tomaremos como punto de partida el ángulo mayor como referencia

para calcular el máximo movimiento del faro, en este caso 630º hacia la derecha.

Como el faro es solidario a la rueda dentada, entonces la misma debe girar como

máximo 20º. Teniendo en cuenta la relación de transmisión realizamos el cálculo.

15Nt

NrRt

Esto significa que si la rueda dentada gira 360º el tornillo girará 5400º. En el caso

que la rueda dentada solo gire 20º el tornillo se moverá 300º.

116

Como el tornillo está fijo al motor, este deberá girar como máximo 300º hacia la

derecha. Antes de seguir con el cálculo resaltaremos que el motor tiene un paso de

1.8º por cada pulso, en nuestro caso lo reduciremos a 0.9º como ya se lo explicó

anteriormente, entonces el número de pulsos en secuencia que debe recibir el motor

para girar 360º es:

pulsospulsosdeNúmero 400º9.0

º360

Por simple cálculo obtendremos el número de pulsos que se necesitan para que el

motor gire tan solo 300º

pulsosx

pulsos

33.333º300

400º360

Cada diente provocaría 8 pulsos de acuerdo con la tabla de medio paso. La siguiente

incógnita sería, ¿Cuántos dientes en el disco dentado necesitamos para dar 333.33

pulsos?. La solución es:

dientesxpulsos

dientepulsos

666.4133.333

18

Este número de dientes son los que deben activar a los sensores, sin embargo como

el movimiento es rotacional y repetitivo el número de dientes por vuelta será:

dientesxvolantedelGiro

dientesvolantedelGiro

8.23º360

666.41º630

De 23.8 dientes, como este no es un número entero de dientes realizamos una

aproximación a 23. No escogemos el inmediato superior, ya que sobrepasaríamos el

número de grados planteados desde el inicio del diseño.

Teniendo en cuenta el número de dientes escogidos para el diseño volvemos a

calcular el ángulo de giro del faro, tanto hacia la derecha como hacia la izquierda.

117

ANGULO DE GIRO HACIA LA DERECHA.

El número de dientes del disco dentado que es de 23 conformarán 1vuelta del volante

pero esta gira más que eso, como ya lo mencionamos gira 630º hacia la derecha, por

lo tanto el número de dientes que activarán al sistema serán:



25.40ºº630

23º360

El número de 40.25 dientes se entiende por la activación de un sensor de los cuatro

que conforma el sistema, este sensor está siendo activado por el diente numero 41.

Luego este número de 40.25 dientes multiplicado por 8 pulsos que da cada diente,

tendríamos en total el número de 322 pulsos hacia el motor. Cada pulso lo

multiplicaremos por el ángulo de giro en el motor (0.9º), obteniendo como resultado

el ángulo de giro del motor 289.8º

Tomando en cuenta la relación de transmisión, si el motor o el tornillo gira 289.8º, la

rueda dentada girará:

º32.1915

º8.289dentadaruedaladeGiro

Por lo tanto el giro del faro que esta sujeto a la rueda dentada será de 19.32º hacia la

derecha.

ANGULO DE GIRO HACIA LA IZQUIERDA.

El número de dientes del disco dentado que es de 23 conformarán 1vuelta del volante

pero esta gira más que eso, como ya lo mencionamos gira 585º hacia la izquierda,

por lo tanto el número de dientes que activarán al sistema serán:



37.37º585

23º360

El número de 37.37 dientes activa los sensores. Luego este número de 37.37dientes

multiplicado por 8 pulsos que da cada diente, tendríamos en total el número de 299

pulsos hacia el motor. Cada pulso lo multiplicaremos por el ángulo de giro en el

motor (0.9º), obteniendo como resultado el ángulo de giro del motor 269.1º

118

Tomando en cuenta la relación de transmisión, si el motor o el tornillo gira 269.1º, la

rueda dentada girará:

º94.1715

º1.269dentadaruedaladeGiro

Por lo tanto el giro del faro que esta sujeto a la rueda dentada será de 17.94º hacia la

izquierda.

Antes de dibujar el disco dentado de 23 dientes debemos saber el diámetro del

mismo, como también el tamaño del diente y la distancia que existe entre diente y

diente, para calcular ello necesitamos saber algunas de las dimensiones del sensor a

utilizar.

Como ya mencionamos el sensor utilizado es un encoder, como muestra la Figura

2.67.

Figura 2.67: Encoder


La Figura 2.68 muestra la sección del Encoder la cual está dimensionada en

milímetros para recoger los datos de diseño.

Figura 2.68: Vista seccionada de un Encoder

Fuente: Los Autores

119

Para calcular el ancho del diente considerando que la activación del motor será de

medio paso y tomando en cuenta que la disposición de los sensores es un junto al

otro como muestra la Figura 2.69.

Figura 2.69: Disposición de los 4 sensores

Fuente: Los Autores

El mínimo ancho del diente será de 7.35 mm, cumpliendo con esto la condición de

activar dos bobinas a la vez.

El máximo ancho del diente será de 12.7mm, es máximo por que luego de esta

distancia el diente del disco dentado activará tres bobinas a la vez, y ese no es

nuestro objetivo.

De acuerdo a las dimensiones de los sensores calculamos también la distancia entre

cada diente del disco dentado, en este caso también existe un rango de posibilidad

para el diseño. De acuerdo a la Figura 2.70 calcularemos límites.

Figura 2.70: Distancias máxima y mínima entre dientes

Fuente: Los Autores

120

El límite mínimo de distancia entre dientes es de 13.7mm, con este límite se asegura

de no activar tres sensores a la vez, la capacidad máxima es de 2.

El límite máximo es la distancia de 18.05mm, con ello aseguramos que se activen los

sensores de acuerdo a lo ya establecido, que es el medio paso.

Teniendo los rangos de posibilidad tanto del ancho de diente como de la distancia

entre dientes detallados en la Tabla 2.18, podemos calcular la figura de la rueda

dentada.

Rango Ancho del diente Distancia entre dientes

Máximo 12.7 mm 13.7 mm

Mínimo 7.35 mm 18.05 mm

Tabla 2.18: Rangos del ancho de diente y distancia entre ellos

Fuente: Los Autores

Antes de realizar el diseño de la rueda obtendremos valores promedio del ancho del

diente y de la distancia entre dientes, para con ello obtener el mínimo margen de

error al momento de construir el disco dentado.

El ancho del diente promedio será de 10.025 mm y la distancia entre dientes

promedio será de 15.875 mm. Con estos datos dibujamos el disco dentado.

Para obtener el radio del disco, sumamos la distancia entre dientes con el acho del

mismo dando como resultado 25.9 mm, este dato lo multiplicamos por 23 dientes

obteniendo 595.7 mm de perímetro del disco dentado, aplicamos la siguiente

fórmula:

mmmmPerímetro

r

despejamosradioelrsiendorPerimetro

8.94.2

7.595

.2

..2

121

El radio del disco dentado es de 94.8 mm. Ahora debemos dibujar los dientes, para

ello tomamos en cuenta el ancho promedio de estos y como superficie del disco y

calculamos de acuerdo a la siguiente fórmula:

º5945.9167457.08.94

875.15tan

º0561638.62732.08.94

025.10sup

sup

radmm

mm

radio

dientesentreciadisSuperficieangulo

radmm

mm

radio

dientedelerficieangulo

anguloeldespejamosradioanguloerficie

Entonces ahora tenemos los datos de ancho del diente y separación entre dientes en

grados, facilitando el dibujo, como muestra la Figura 2.71.

Figura 2.71: Esquema Final del disco dentado para controlar el movimiento de los faros

Fuente: Los Autores

122

El diseño está listo, solo se debe considerar el ancho de la columna de la dirección

para realizar el agujero en el centro e insertarla, en nuestro caso es de 19 mm.

En cuanto al diseño de la rueda para el circuito que enciende un led cada vez que la

dirección está recta, solo se tomó en cuenta el ancho total de los sensores, para

dibujar las ranuras en el disco y el radio del disco es de 100mm, no tiene ninguna

relevancia colocar de mayor diámetro, solo es necesario que calce en el habitáculo y

que no limite las actividades normales del conductor por otro lado el diámetro

mínimo del disco será de 80mm suficientemente como para activar los sensores sin

ningún problema. Las dimensiones se muestran en la Figura 2.72.

Figura 2.72: Esquema Final del disco dentado que indica la posición recta de la dirección

Fuente: Los Autores

Los sensores ocupan un perímetro de 25.4mm en el disco de radio de 100mm, de

acuerdo a la siguiente ecuación obtenemos la distancia en grados

123

º55.14254.0100

4.25

radmm

mma

discodelradior

anguloa

perimetros

ras

Consideraremos un margen de exactitud para detectar en el volante la dirección recta,

en este caso será de 1.45º, dándonos 16º en total ocupados por los sensores, por ello

las ranuras estarán dispuestas a 82º medidos desde la horizontal.

Hay que tomar muy en cuenta que el ancho de la ranura no puede ser mayor a 7.35

mm, por que puede activar dos sensores a la vez, y el mínimo ancho de ranura es de

1mm para que el sensor tenga una buena señal de activación (Véase la Figura 2.73).

Figura 2.73: Máxima distancia de ancho de la ranura del disco

Fuente: Los Autores

2.6.9. Mecanismo de obtención de la señal que controlará al motor.

El mecanismo de obtención de señal deberá ser confiable y de rápida reacción, es

decir que reaccione instantáneamente con el mínimo giro del volante de la dirección

del vehículo, haciéndose necesario sensores de mucha precisión y velocidad de

reacción.

2.6.9.1. Sensor óptico:

La señal producida por el sensor óptico la origina una armadura que interrumpe un

haz de luz. Un diodo emisor de luz (por lo regular de luz infrarroja invisible) está

situado frente a un dispositivo receptor óptico, como un fotodiodo o fototransistor.

124

Se gira una armadura entre el LED y el receptor, la armadura puede ser de metal,

plástico o cualquier material opaco.

Al girar la armadura, la luz alternadamente incide sobre el receptor o es bloqueada,

haciendo que la corriente fluya o deje de fluir por el receptor y creando una onda

cuadrada con una frecuencia directamente proporcional a la rotación de la armadura.

La ventaja principal del sensor rotacional óptico respecto es su capacidad para

producir frecuencias extremadamente altas. La mayor desventaja es su sensibilidad al

polvo, el aceite y la grasa, que pueden crear señales erróneas.

2.6.9.2. Ubicación

El mecanismo de obtención de la señal que controla al motor va colocado en la

columna de la dirección del vehículo, por lo que se cuenta con un espacio un poco

reducido.

2.6.9.3. Alternativas

En el diseño del mecanismo de obtención de señal se han tomado 2 alternativas

principalmente:

a) Colocar tantos sensores como sea necesario para provocar el giro de los

motores y solo una leva que corte la señal de cada uno de ellos.

b) Colocar solo 4 sensores y diseñar un disco dentado, el cual tiene una serie de

perforaciones (Dentados) colocadas radialmente y equidistantes entre sí.

De las dos alternativas anteriores se eligió la segunda (b), debido a que es más fácil

de trabajar la señal de solo 4 sensores, que trabajar con un sin número de señal que es

lo que se propone en la primera alternativa. Además con la ayuda del disco dentado

se puede controlar mejor el giro de los faros.

En general este capitulo detalla todos los componentes electrónicos utilizados en el

sistema, así como también el por que no se escogió otros elementos electrónicos

existentes en el mercado que tienen características similares. Luego avanzamos al

diseño del circuito, hasta conseguir la interacción que deben cumplir los elementos

electrónicos para desarrollar esta determinada funcionalidad, en este diseño nos

125

encontramos con variados inconvenientes relacionados principalmente con el

amperaje consumido por el circuito, hasta finalmente diseñar un sistema acorde con

las características que se estaba buscando, capaz de desarrollar una actividad

específica. Luego el diseño mecánico también es parte importante en el sistema, por

ello se diseñaron tres tipos de mecanismos, de los cuales el más efectivo es el de

engranaje y tornillo sin fin capaz de transmitir el movimiento únicamente desde el

motor.

126

CAPÍTULO 3


SUMARIO

3.1. Introducción

3.2. Objetivo

3.3. Instalación del circuito de faros antiniebla.

3.4. Construcción de la parte mecánica del sistema de faros antiniebla activos.

3.4.1 Fabricación del soporte del faro

3.4.2. Fabricación del soporte fijo al compacto del vehículo.

3.5. Colocación del motor y mecanismo de transmisión en el sistema del faro

3.6. Implementación del mecanismo en el vehículo.

3.7. Adecuación del guardachoque del vehículo para alojar a los faros

3.8. Implementación del Guardachoque en el vehículo.

3.9. Construcción del Disco dentado y el soporte para los sensores.

3.9.1. Construcción del disco dentado.

3.9.2. Construcción del soporte para los sensores

3.10. Colocación de los sensores y disco dentado.

3.11. Circuito de alimentación para el sistema de faros antiniebla activo

3.12. Adecuación del circuito al vehículo.

3.13. Construcción del circuito electrónico impreso

3.14. Instalaciones eléctricas

3.15. Cubierta del circuito electrónico

3.16. Ubicación y sujeción del circuito en el vehículo

3.17. Ubicación de los LED e interruptores del circuito en el vehículo.

3.18. Inconvenientes eléctricos ocurridos en la construcción e implementación del

vehículo.

127

CAPITULO 3


3.1. Introducción

La industria del automóvil está en constante evolución con respecto a sus materiales

de construcción, ello se pone de manifiesto especialmente en el continuo desarrollo

de las propias carrocerías de automóviles que se caracterizan por servir de apoyo a

los conjuntos mecánicos. Esta evolución no queda limitada a cuestiones de estética y

diseño, sino que también afecta a conceptos como seguridad, rigidez, ligereza y

reciclabilidad, entre otros.

La primera medida de seguridad adoptada comienza en el paragolpes, diseñado para

que, en caso de impacto a escasa velocidad, absorba energía y se deforme de manera

controlada, evitando la transmisión de daños al resto de la carrocería este es el lugar

donde se encuentran las luminarias frontales y en nuestro caso los faros antiniebla.

Fabricado en un material plástico compacto, que se deforma completamente,

absorbiendo energía.

Casi todos los sistemas del automóvil actual se controlan por computadora. El

control por computadora de un sistema automotriz hace que éste actúe y reacciones

con más precisión y rapidez. Aunque los primeros sistemas de computadora

actuaban de manera independiente, actualmente casi todos los sistemas importantes

comparten sensores de alimentación comunes. Este capítulo proporciona

información acerca de la construcción del sistema mecánico y electrónico así como

su implantación en el vehículo.

3.2. Objetivo

El sistema de luces antiniebla deberá estar construido con materiales resistentes a las

condiciones climatológicas, que sean fáciles de moldear y de económica fabricación

pero que puedan garantizar la funcionalidad.

128

Por otra parte, cada vez se aplican unas medidas más efectivas de prevención contra

la corrosión, que se centran en aislar al acero de la acción del agua y del oxígeno,

mediante la aplicación de diferentes revestimientos, acordes a la vulnerabilidad de

cada zona. Los resultados de estas medidas no van encaminadas únicamente a alargar

la vida del sistema, sino que también repercuten directamente en la seguridad, al

evitar reducciones de sus niveles iniciales de resistencia. La pintura debe cumplir

una serie de requisitos, entre los que se encuentran como prioritarias la protección y

la imagen.

El circuito a parte de ser funcional debe tener medidas de seguridad en las cuales

constan fusibles, condensadores y demás elementos que aseguran la durabilidad y

confiabilidad del sistema

3.3. Instalación del circuito de faros antiniebla.

Originalmente el vehículo no costa con faros antiniebla, por lo tanto tampoco tiene el

circuito que los comanda, debido a esto es necesario instalar un circuito. El diseño

esta en la Figura 3.1 de acuerdo a la norma de cuencaire.

Figura 3.1. Esquema del circuito de encendido de los faros antiniebla

Fuente: CUENCAIRE

El circuito permite encender los faros antiniebla solo cuando previamente se halla

encendido las luces de posición del vehiculo y no antes. Generalmente los

129

conductores encienden únicamente los faros antiniebla (si el sistema lo permite) sin

percatarse que la parte posterior del vehiculo no está iluminada, lo cual puede causar

accidentes.

3.4. Construcción de la parte mecánica del sistema de faros antiniebla activos.

En la construcción del sistema mecánico se debe tomar en cuenta la resistencia y

durabilidad de los materiales, en nuestro mercado existen diferentes tipos de

materiales tales como: aluminio, plásticos, aceros, latón, grilón, etc. Los cuales se

utilizarán según la necesidad y su fácil manipulación.

3.4.1 Fabricación del soporte del faro

Luego de haber realizado el diseño del soporte del faro, se procedió a su construcción

a partir de una platina de acero con perforaciones que sujetaran a los faros y otras en

donde irán colocados los sistemas que le darán el movimiento al faro como se


Figura 3.2: Partes del soporte del faro

Fuente: Los Autores

Para obtener el soporte fue necesario calentar el material para que sea más fácil darle

la forma redonda que tiene el faro, y fue soldado en un extremo, para realizar los

agujeros se utilizó un taladro de columna y brocas de diferentes diámetros.

En los agujeros que sujetan al faro fue necesario utilizar un machuelo con la

finalidad de hacer una rosca para colocar los tornillos (Véase la Figura 3.3).

Sujeción del faro

Sujeción del faro

Sujeción del faro

Perforaciones para

el mecanismo de

movimiento

Perforaciones para

el mecanismo de

movimiento

130

Figura 3.3: Utilización de un machuelo

Fuente: Los Autores

3.4.2. Fabricación del soporte fijo al compacto del vehículo.

Como ya mencionamos en el capitulo anterior es necesario que este soporte permita

la movilidad del faro por lo que optó colocar un rodamiento rígido de bolas para que

el movimiento sea más suave que la utilización de un buje simplemente.

Se fabricó unos bujes donde van colocados los rodamientos para este trabajo se

utilizó un torno y un taladro de columna.

Utilizando una platina de acero se la forjó y fabricó el soporte que servirá de unión

entre los dos bujes y rodamientos tanto superior como inferior los cuales van

colocados en el soporte del faro como muestra Figura 3.4.

Figura 3.4: Soporte, bujes y rodamientos.

Fuente: Los Autores

Soporte fijo al

compacto de

vehículo

Bujes y rodamientos

131

Para la transmisión del movimiento desde el motor hacia el mecanismo optamos por

utilizar un tornillo sin fin y una rueda dentada. El tornillo sin fin se lo fabricó en

acero de transmisión con la ayuda de un torno, y la rueda dentada se la fabricó en

grilón un material bastante resistente y fácil de mecanizar, se utilizó este material

debido a que la rueda dentada es de dimensiones pequeñas, quedando el mecanismo

de transmisión de movimiento como se muestra en la Figura 3.5.

Figura 3.5: Mecanismo de transmisión de movimiento

Fuente: Los Autores

3.5. Colocación del motor y mecanismo de transmisión en el sistema del faro

Para colocar el motor en el sistema del faro se realizó una base en donde va

empernado el motor en un extremo y en el otro se colocó un buje que servirá de guía

para el tornillo sin fin con esto se evita que el sin fin se pandee y pierda contacto con

la rueda dentada, la rueda dentada se colocó en el eje, por encima del rodamiento

rígido de bolas, permitiendo así que el motor transmita el movimiento al faro

antiniebla, quedando el mecanismo como se muestra en la Figura 3.6.

Corona dentada

Tornillo Sin Fin

Motor

132

Figura 3.6: Colocación del motor y mecanismo de transmisión

Fuente: Los Autores

3.6. Implementación del mecanismo en el vehículo.

Para la colocación de la estructura en el vehículo fue necesario soldar unos soportes

adicionales (brazos de sujeción), los cuales van atornillados en el compacto del

vehículo como se muestra en la Figura 3.7.

Figura 3.7: Colocación de la estructura en el vehículo

Fuente: Los Autores

Base de sujeción

del motor

Buje guía para el

tornillo Sin Fin

Buje de unión entre el

motor y el tornillo Sin Fin

Brazos de sujeción

de la estructura

133

Para el montaje de las estructuras en el vehículo se tuvo muy en cuenta la simetría y

la norma técnica ecuatoriana para establecer las distancias de altura, distancia del

centro del vehículo hacia cada una de ellas y el grado de inclinación de las

estructuras (Véase la Figura 3.8), pues esto evitará que las luces encandilen a los

vehículos que circulan en sentido contrario. Según la norma, la altura de los faros

antiniebla se encuentran a no menos de 250 mm y por debajo de los faros de

carretera, en nuestro caso los faros antiniebla se encuentran a 280mm. En cuanto a la

longitud de iluminación por parte de los faros antiniebla, según la norma la

iluminación no debe afectar a ningún otro conductor que circule tanto en sentido

contrario como delante del mismo.

Figura 3.8: Simetría en la colocación de las estructuras.

Fuente: Los Autores

Luego de colocadas las estructuras se procedió a pintarlas para evitar el posible

deterioro por corrosión de los materiales (Véase la Figura 3.9).

Figura 3.9: Pintado de las estructuras

Fuente: Los Autores

Distancia del centro del

vehículo

Altura del

los faros

134

3.7. Adecuación del guardachoque del vehículo para alojar a los faros

Luego de colocadas las estructuras en el vehículo se procede a la adecuación del

guardachoque de manera que permita el alojamiento de los faros y principalmente

permita la iluminación en los extremos de movimiento de los faros.

En primer lugar se realizó los agujeros en ambos extremos del guardachoque con una

amoladora como se muestra en la Figura 3.10.

Figura 3.10: Perforación del guardachoque

Fuente: Los Autores

Luego con la ayuda de un experimentado en trabajos de Fibra de vidrio se realizó una

protección para las estructuras para ello empezó con la fabricación de un molde en

cartón como se muestra en la Figura 3.11.

Figura 3.11: Molde de Cartón

Fuente: Los Autores

135

Una vez realizado el molde se realizó una mezcla de pastas fabricadas a base de

resinas de poliéster (masilla) (Véase la Figura 3.12). La cual servirá para endurar el

molde.

Figura 3.12: Mezcla para endurecer el molde de cartón.

Fuente: Los Autores

Seguidamente se procedió a colocar la mezcla sobre la parte moldeada de cartón para

endurecerlo y darle una mejor forma como se muestra en la Figura 3.13.

Figura 3.13: Colocación de la masilla.

Fuente: Los Autores

Una vez que la masilla se ha endurecido se observó si esta tenía rozamientos con los

faros, procediendo a cortar con la ayuda de una amoladora en los puntos de

rozamiento como se muestra en la Figura 3.14.

136

Figura 3.14: Cortado de los puntos de rozamiento.

Fuente: Los Autores

Después de secado el molde se realizó el recubrimiento con una manta de fibra,

dando base a la forma casi definitiva. Luego con una espátula se coloca nuevamente

la masilla pero esta es exclusiva de uso automotriz procurando cubrir de una forma

homogénea toda la superficie. Por último se lija y afina la forma final del

parachoques para su posterior pintado quedando el guardachoque como se muestra

en las Figuras 3.15 y 3.16.

Figura 3.15: Pintado del guardachoque

Fuente: Los Autores

Figura 3.16: Acabado final del guardachoque del vehículo.

Fuente: Los Autores

137

3.8. Implementación del Guardachoque en el vehículo.

Seguidamente se colocó el guardachoque en el vehículo tomando en cuenta que este

debe estar fijo y no debe rozar con las estructuras de los faros.

La modificación del guardachoque fue mínima, sin embargo vamos a demostrar por

qué no afecta a la aerodinámica del vehículo.

La resistencia aerodinámica al avance del vehículo se encuentra dado por la siguiente

formula:

velocidadv

frontaláreaAf

caaerodinamiaresistencidetecoheficienCx

airedeldensidad

vAfCxFxa

2...2

1

De los datos que le corresponde al vehículo están el coeficiente de resistencia

aerodinámica y el área frontal y ninguno de estos datos tuvo modificación, como lo

demuestra la Figura 3.17

Figura 3.17: Guardachoque colocado en el vehículo

Fuente: Los Autores

Por lo tanto la resistencia aerodinámica se mantiene a la de fábrica.

1.84 m

1.35 m

138

3.9. Construcción del Disco dentado y el soporte para los sensores.

El disco dentado es primordial en el funcionamiento del sistema, este controla grado

de movimiento de los faros antiniebla mediante el accionamiento de los sensores por

ello su construcción debe ser de gran precisión de acuerdo al diseño.

3.9.1. Construcción de los discos dentados.

Con el diseño previamente realizado con la ayuda del AutoCad (software de diseño)

se construyó los discos en latón pues es un material fácil de manipular. Además se

realizó unas bases se sujeción del disco dentado quedando como se muestra en la

Figura 3.18.

Figura 3.18: Disco dentado


3.9.2. Construcción del soporte para los sensores

El soporte de los sensores fue construido con platinas de acero y latón. Las platinas

sirven para el centrado de los sensores y el latón sirve de base para los sensores


Figura3.19: Soporte para los sensores.

Fuente: Los Autores

Base para

los sensores

Platinas de centrado de los

sensores

139

Las platinas van atornilladas al compacto del vehículo.

Para finalizar se procede al pintado de todos los componentes del disco dentado y del

los sensores (Véase la Figura 3.20).

Figura 3.20: Pintado del Disco dentado y soporte de los sensores.

Fuente: Los Autores

3.10. Colocación de los sensores y disco dentado.

El disco va colocado solidario a la columna de la dirección del vehículo para que se

mueva conjuntamente con ella como se muestra en la Figura 3.21.

Figura 3.21: Lugar donde se colocará el disco dentado

Fuente: Los Autores

Los sensores van colocado de tal manera que no se mueva con las vibraciones del

vehículo, además estos deben ir concéntricos al disco dentado (Véase la Figura 3.22).

140

Figura3.22: Colocación de los sensores

Fuente: Los Autores

Una vez realizado la construcción y pintado de los elementos se procede a colocarlos

en el vehículo el disco dentado se lo fijo con la ayuda de una abrazadera de acero

galvanizado quedando como se muestra en la Figura 3.23.

Figura 3.23: Disco dentado y sensores colocados en la columna de la dirección

Fuente: Los Autores

3.11.Circuito de alimentación para el sistema de faros antiniebla activo

Al sistema de encendido de faros antiniebla de la figura 3.1 le agregamos un relé en

paralelo al relé de los faros antiniebla para alimentar al circuito que moverá los faros

antiniebla. (Ver las Figuras 3.24 y 3.25)

141

Figura 3.24. Circuito de alimentación para el sistema de faros antiniebla activo

Fuente: Los Autores

Figura 3.25. Colocación del relé para alimentar el sistema de faros antiniebla activo

Fuente: Los Autores

3.12.Adecuación del circuito al vehículo.

Antes de construir la placa impresa con el circuito, tendremos en cuenta que existen

muchos elementos en el vehículo que pueden causar interferencia en nuestro circuito,

esto se previene colocando condensadores en la alimentación y en cada uno de las

fuentes diseñadas, también es necesario colocar un diodo en el borne positivo para

Circuito

142

que en caso de conectar en sentido contrario la alimentación, el circuito no se

destruya, finalmente el circuito adecuado al vehículo se muestra en la Figura 3.26.

Figura 3.26: Circuito adecuado al vehículo

Fuente: Los Autores

Los transistores de alta potencia del circuito tienden a calentarse, para asegurar el

buen funcionamiento del sistema se consideró colocar un disipador de calor en cada

transistor (Ver la Figura 3.27) y un ventilador para todos haciendo que la temperatura

de funcionamiento sea aceptable. (Ver la Figura 3.28)

Figura 3.27. Disipador de calor TO-3 Figura 3.28. Ventilador 12V 501303

Fuente: Los Autores

“Como se sabe, para un circuito eléctrico la ley de Ohm nos indica que:

R

EI

Diodo de

protección

Condensador

143

Si hacemos una analogía con un circuito térmico, sustituyendo potencia en lugar de

intensidad de corriente, temperatura en lugar de voltaje y resistencia eléctrica por

resistencia térmica, tendremos:

TR

TP

La resistencia térmica (RT) se define como la oposición que presenta un medio para

que el calor pueda fluir a través de él. Sus unidades, normalmente, se dan en C/W.

El calor que se genera en el transistor tiene que salir primero al encapsulado

metálico luego pasa al disipador de aluminio y de ahí al medio ambiente, por lo tanto

el calor deberá vencer 3 resistencias térmicas para disiparse al ambiente:

1. La resistencia de las uniones semiconductoras hacia el encapsulado del

dispositivo (RJC)

2. La resistencia del encapsulado hacia el disipador de aluminio (RCS).

3. La resistencia del disipador al ambiente (RSA).

En la Figura 3.29 se muestra la relación entre estas resistencias, la potencia y la

temperatura.

Figura 3.29. Modelo matemático de la transferencia de calor del transistor al ambiente

Fuente: Los Autores

144

Donde:

P = Pérdida de Potencia del dispositivo.

Tj = Temperatura del transistor

Tc = Temperatura del encapsulado.

Ts = Temperatura del disipador.

Ta = Temperatura ambiente.

Entonces si aplicamos la analogía de un circuito eléctrico al esquema anterior,

tendremos la siguiente expresión:

TaRsaRcsRjcPTj )(

Normalmente, Rjc, Rcs y Tj son datos dados por los fabricantes de dispositivos

electrónicos en los manuales impresos o en el INTERNET. La variable será entonces

la resistencia térmica del disipador al ambiente.

Despejando de la ecuación la Rsa:

)( RcsRjcP

TaTjRsa

Los principales pasos para proteger al transistor de potencia de sobrecalentamientos

son:

1. Estimar la potencia máxima que va a disipar el transistor

WPotencia

AVPotencia

IVPotencia

4.9

88.15

2. Buscar en el manual de Transistores la Rjc y Rcs, así como la Temperatura

máxima de operación del dispositivo a proteger.

Rjc=0.875 ºC/W

A continuación la Tabla 3.1 sirve para encontrar la resistencia térmica Rcs para

diferentes tipos de encapsulados y materiales entre caja y disipador, entre los cuales

nos interesa el TO-3 en contacto con mica.

145

Tabla 3.1. Tabla de resistencias térmicas desde el encapsulado hasta el disipador

Fuente: MIYARA Federico, Disipación de potencia, 2006.

Rcs = 2.1 ºC/W

Y la temperatura máxima que resiste el transistor de potencia es de Tj = 200ºC. Y la

temperatura del ambiente es de Ta = 20ºC

3. Calcular la Rsa.

W

CRsa

W

C

W

CRsa

W

C

W

C

W

CCRsa

RcsRjcP

TaTjRsa

º1739.16

)º

975.2(º

1489.19

)º

1.2º

875.0(4.9

º20º200

)(

Según el catálogo del disipador, la resistencia térmica es de 10 ºC/W, significa que es

suficiente para enfriar al transistor y mantenerlo en la temperatura adecuada de

funcionamiento.

La Rsa puede disminuir en función de la velocidad del aire de ventilación (Véase la

Figura 3.30), por ejemplo a través de ventiladores sopladores de aire o extractores de

aire.

Figura 3.30. Variación de la resistencia térmica del disipador con respecto a la velocidad del aire


Rsa

146

Decidimos disminuir aun mas la resistencia colocando un ventilador de código

501303 por existir cuatro transistores juntos, entre las características del ventilador se

encuentra en la Figura 3.31.

Figura 3.31. Características del ventilador 501303


Finalmente redujimos la resistencia térmica de 16 ºC/W a 6 ºC/W con la ayuda de un

disipador de calor y un ventilador.” 45

3.13. Construcción del circuito electrónico impreso

La siguiente es una descripción de un método sencillo para fabricar placas impresas

simples como la nuestra, luego de haber trazado el circuito completo.

Para comenzar se debe realizar el diseño de la plaqueta en el programa EAGLE 5.9.

EAGLE 5.9 (Editor Fácil de Trazado Gráfico Aplicable); es un sencillo programa

que te permite diseñar circuitos impresos y una potente aplicación con la que puedes

desarrollar circuitos impresos y realizar esquemas electrónicos, el cual consta de tres

módulos:

Un Diagramador, es decir puedes dibujar el circuito en el programa.

Un Editor de esquemas, es decir que puedes cambiar la denominación de

componentes en caso de no encontrarlos en la librería.

Un Autorouter, es la función con que se automatiza el dibujo de pistas en la

placa de circuitos impresos, y todo esto en un entorno ergonómico.

45

MIYARA Federico, Disipación de potencia, 2006, Segunda Edición, p.13

147

Para dibujar el circuito, necesitamos distintos componentes los cuales para nuestro

esquema están ordenados y guardados en librerías por lo que debemos seleccionar las

librerías que vamos a necesitar.

Los componentes de la librería se irán colocando en orden y distribuyéndolos

espaciadamente en la ventana, luego se tendrán que dibujar los hilos (cables) de

unión entre ellos.

Los componentes del circuito pueden ser movidos ordenadamente individualmente o

cercándolos se puede mover agrupado.

No olvidemos ir guardando los cambios para conservar las modificaciones.

El programa tiene una particularidad, al conectar diferentes redes de hilos entre sí

permite designar el nombre de la red de cada hilo.

También podemos incluir textos descriptivos, para que sea didáctico el esquema.

Una vez finalizado el diseño del esquema, ahora podemos crear la placa de circuito

impreso. En el programa aparecerá la ventana del diseño de la placa con los

componentes fuera de ella, hay que mantener abierta la ventana del esquema para

que el diseño del esquema y de la placa sean consistentes y los posibles cambios en

una se reflejen en el otro.

Ahora se puede hacer que Eagle nos diseñe el trazado de las pistas de la placa

automáticamente (Autorouter). Como quiero una placa de simple cara, indico que por

la cara superior no se tracen pistas y por la inferior lo haga en cualquier dirección.

Para ver mejor el trazado de las pistas podemos recurrir a las capas y activarlas o

desactivarlas para ver lo que nos interese. Si alguna pista necesita ser más gruesa por

la corriente que consume podemos variar su ancho si no lo hemos hecho al dibujarla.

En la Figura 3.32 se puede ver el diseño de las pistas, e imprimir el diseño en

cualquier impresora láser.

148

Figura 3.32. Diseño de las plaquetas

Fuente: Los Autores

Para un resultado profesional, imprimimos también la serigrafía de la posición de los

componentes, luego la colocación de los componentes es mucho más sencilla. (Ver la

Figura 3.33)

Figura 3.33. Diseño de la serigrafía

Fuente: Los Autores

Se debe imprimir al máximo de calidad en la impresora láser. Luego se hace una

fotocopia común del diseño, pero usando el papel más satinado que se pueda

encontrar. No hace falta que el papel sea grueso.

Luego cortar la placa del cobre a la medida necesaria y limpiarla usando lana de

acero (Ver las Figuras 3.34 y 3.35). Frotarla en forma circular para obtener

ralladuras en todas direcciones. Estas rayaduras ayudan a la fijación del toner.

Evitar huellas digitales

149

Figura 3.34. Placa de cobre Figura 3.35. Limpieza de la placa con lana de acero

Fuente: Los Autores

Con el planchado del diseño sobre la placa de cobre, transferimos el fotolito del

papel al cobre. (Ver la Figura 3.36)

Figura 3.36. Aplicación de la plancha sobre el papel

Fuente: Los Autores

Luego se deja enfriar la placa, unos minutos. Para retirar el papel de la placa, se

debe introducir la placa en agua caliente, es muy importante, porque mejora los

resultados al hacer que el papel se despegue sin dificultad. Se deja la placa unos

minutos en remojo, luego el papel se despega sólo prácticamente, posteriormente

tenemos le resultado (Ver las Figuras 3.37 y 3.38)

Figura 3.37. Remojo de la placa Figura 3.38. Extracción del papel de la placa

Fuente: Los Autores

http://www.fer.nu/placas/imagenes/tuturial%20placas%20%282%29.JPG






150

Ahora nos preparamos para atacar la placa con Cloruto Férrico (ClFe). El recipiente

a utilizar para atacar la placa se ha pegado en el fondo un par de difusores de aire de

acuario por que el oxígeno y la temperatura facilitan la reacción. En unos 5-10

minutos, la placa estará lista, (Ver la Figura 3.39).

Figura 3.39. Recipiente para atacar a la placa

Fuente: Los Autores

Luego se limpia la placa usando acetona, se taladra la placa a contraluz y se cubre el

cobre con resina vegetal disuelta en alcohol para evitar que se oscurezca como se


Figura 3.40. Proceso de taladrado de la placa

Fuente: Los Autores

Se sueldan los elementos según la serigrafía obteniendo el siguiente resultado (Ver la

Figura 3.41)




151

Figura 3.41. Circuito con placa impresa

Fuente: Los Autores

3.14. Instalaciones eléctricas

Antes de realizar las instalaciones eléctricas se tomó en cuenta las siguientes

consideraciones:

El cable que conformará la instalación de los motores paso a paso con el

circuito debe tener la menor resistencia posible, debido a que algunos

medirán hasta 3m de largo, y esto podría traer consecuencias de

funcionamiento.

El cable de instalación deberá recorrer el contorno del motor para que no

haga contacto con partes calientes o en movimiento.

El cable debe estar cubierto con una protección conjunta, para asegurar la

durabilidad de la instalación.

El circuito debe estar en el habitáculo del vehículo, dentro del tablero de

instrumentos para que esté protegido de las condiciones climatológicas

externas.

Las conexiones deben tener en sus extremos socket para que el circuito sea de

fácil desmontaje cuando se tenga que hacer mantenimiento al sistema.

Teniendo en cuenta estas consideraciones, procedemos a realizar la instalación de los

motores paso a paso y de los sensores con el circuito. La conexión de los motores

sigue la trayectoria que se muestra en la Figura 3.42.

152

Figura 3.42. Trayectoria de la instalación de los motores

Fuente: Los Autores

El cable de los motores se lo protege con una manguera de plástico, la cual

mantendrá las buenas condiciones de la instalación, (Ver la Figura 3.43)

Figura 3.43. Protección de la instalación

Fuente: Los Autores

El extremo de la instalación que conecta los motores, los sensores y alimentación con

el circuito, se coloca un socket para cada uno, así el desmontaje del circuito será mas

fácil, (Ver la Figura 3.44).

Figura 3.44. Socket de conexión

Fuente: Los Autores

Socket de los

motores Socket de alimentación

Socket de los

sensores

153

3.15. Cubierta del circuito electrónico

La cubierta del circuito debe tener las siguientes características:

Ser lo suficientemente grande para guardar en su interior toda la placa del

circuito.

Tener orificios de ventilación para refrigerar a los transistores.

En este caso se requiere que sea de Aluminio para que transfiera el calor

generado en su interior hasta el exterior fácilmente.

Por fortuna en el mercado existen varios tamaños de cubiertas diseñados

especialmente para circuitos, adquirimos una cubierta que cumplía con las

expectativas (Ver la Figura 3.45).

Figura 3.45. Cubierta para el circuito

Fuente: Los Autores

Entre las características principales de la cubierta adquirida tenemos:

Sus dimensiones son: (Ancho × Alto × Largo) 10cm × 10cm × 20cm.

Tamaño justo para guardar todos los elementos de circuito.

El material es de Aluminio por lo que es fácil de moldear, brinda una elevada

conductividad térmica, es resistente a la corrosión y de peso ligero.

Ahora solo tenemos que adecuarla a nuestras necesidades, por ejemplo taladrar los

orificios de refrigeración estratégicamente en uno de los extremos de la cubierta, para

que por dentro circule aire forzado por el ventilador entre los transistores. (Ver la

Figura 3.46)

154

Figura 3.46. Cubierta del circuito con agujeros de ventilación

Fuente: Los Autores

Luego atornillamos la placa del circuito a la cubierta por medio de alzas aislantes

para protegerlo de la alta conductividad eléctrica que tiene el aluminio, dando así un

agradable aspecto, listo para ser colocado en el vehículo. (Ver la Figura 3.47)

Figura 3.47. Placa del circuito con su cubierta.

Fuente: Los Autores

3.16. Ubicación y sujeción del circuito en el vehículo.

Entre las características que debe cumplir el habitáculo donde va a ir colocado el

circuito tenemos:

El espacio mínimo del lugar donde se ubicará el circuito es el tamaño de

la cubierta, (Ancho × Alto × Largo) 10cm × 10cm × 20cm.

En el habitáculo no deben haber elementos calientes (mayores a 50ºC), ni

elementos en movimiento que puedan dañar la cubierta del circuito.

El habitáculo debe estar protegido de agentes externos como polvo, agua,

líquidos del motor, etc.

El habitáculo debe ser de fácil accesibilidad para el mantenimiento del

circuito, sin embargo no debe quedar a la vista para que sea susceptible a

la manipulación frecuente.

155

El habitáculo debe estar protegido en lo máximo posible de vibraciones.

La cubierta del circuito no causará molestia alguna en el conductor y

pasajeros, me refiero a que no tendrá incidencia en la ergonomía del

vehículo ni tampoco perjudicará la visibilidad de las personas a bordo del

vehículo e impida la conducción del vehículo.

En el habitáculo debe haber circulación libre de aire para no perjudicar al

sistema de refrigeración del circuito.

Todas las condiciones que debe cumplir el habitáculo las encontramos en tablero de

instrumentos del vehículo corsa evolution 1.8, específicamente debajo de la columna

de la dirección. En cuanto al ítem de las partes en movimiento la columna de la

dirección tiene una protección que cubre el movimiento de la misma.

Como mencionamos anteriormente, el circuito se va a colocar debajo de la columna

de la dirección, como muestra la Figura 3.48.

Figura 3.48. Ubicación del circuito en el vehículo

Fuente: Los Autores

La sujeción de la cubierta se realiza a través de una placa de aluminio que ayuda a

trasferir el calor de la cubierta al medio ambiente, entre otras características es

liviana y no se oxida, esta placa irá atornillada a la cubierta en un extremo y en el

otro extremo atornillada al tablero de instrumentos. Los tornillos son M6 y tuerca,

estos tornillos no sufren esfuerzos grandes por ello no requieren cálculo. (Ver la

Figura 3.49)

156

Figura 3.49: Sujeción de la cubierta

Fuente: Los Autores

3.17. Ubicación de los LED e interruptores del circuito en el vehículo.

La ubicación de los LED del circuito debe ser estratégica por lo que debe cumplir las

siguientes características:

Debe ser fácilmente visible para el conductor.

Su ubicación no perjudicará la percepción de ninguno de los instrumentos del

tablero, tales como el odómetro, velocímetro, indicadores de la temperatura

del refrigerante y otros.

Debe ser de fácil desmontaje para su mantenimiento.

El lugar que cumple estas especificaciones se encuentra detrás del volante,

fácilmente atornillada a la cubierta de los mandos de las plumas del parabrisas.

Los dos LED (Véase la Figura 3.50), un verde que se encenderá solo cuando la

dirección del vehículo esté en dirección recta y un rojo que servirá para calibrar las

luces en caso de descalibración.

Figura 3.50. LED verde indicador de dirección recta y LED rojo de calibración

Fuente: Los Autores

157

Los LED y el circuito tienen interruptores de encendido y apagado, colocados

adecuadamente para no dificultar al conductor del vehículo su activación. (Ver la

Figura 3.51)

Figura 3.51. Interruptores de encendido y apagado del circuito y LED

Fuente: Los Autores

La ubicación de los interruptores es cercana entre ellos y accesible al conductor sin

mayores esfuerzos.

3.18. Inconvenientes eléctricos ocurridos en la construcción e implementación

del vehículo.

El primer inconveniente que surgió en el circuito de alumbrado, fue el que se haya

mojado el relé que alimenta el circuito cuando lavamos el vehículo, lo que causó la

oxidación de sus componentes y su mal funcionamiento (Ver la Figura 3.52)

Figura 3.52. Relé dañado

Fuente: Los Autores

Interruptor de

encendido del circuito

ON

OFF

Interruptor de encendido del LED verde Interruptor de encendido del LED rojo

158

El siguiente inconveniente se produjo cuando enviamos a construir la placa impresa

del circuito, en donde se soldaron los reguladores de voltaje (LM317T) al revés (Ver

la Figura 3.53), dando desperfectos en el funcionamiento, hasta volverse obsoletos.

La solución fue extraer de la placa los reguladores y comprar nuevos reguladores del

voltaje (LM317T) para volverlos a soldar pero esta vez en su correcta posición.

Figura 3.53. Imagen del LM317 en posición corregida

Fuente: Los Autores

Otro de los inconvenientes fue por manipulación, al realizar la comprobación del

circuito con el multímetro, un descuido provoco un corto circuito que destruyó una

de las pistas, lo cual tuvimos que reponerla soldando un cable en ella. (Ver la Figura

3.54)

Figura 3.54. Imagen del cable reemplazando la pista en el circuito

Fuente: Los Autores

159

La construcción en instalación de la estructura fue un poco complicada debido a que

en nuestro medio no existen muchas personas capacitadas para realizar este tipo de

trabajos, tales como construcción de sistemas de transmisión de movimiento a

escalas reducidas, en general existieron pequeños detalles en la construcción que a la

larga nos trajo muchos inconvenientes en todo el sistema los cuales tuvimos que

superarlos. En cuanto a la parte eléctrica surgieron inconvenientes variados cuando

se decidió imprimir el circuito en una placa, reemplazando así a la baceta, los

condensadores fueron parte primordial la para el buen funcionamiento del sistema,

también se consideró la distancia de los cables por lo que se adquirió de baja

resistencia, no olvidamos mencionar que el vehículo consta de poco espacio para

instalar nuevos accesorios, ese fue el principal inconveniente.

160

CAPÍTULO 4


IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE ILUMINACIÓN

ACTIVO

SUMARIO

4.1. Introducción

4.2. Objetivo

4.3. Costos totales de diseño e implementación

4.3.1. Costos de diseño

4.3.2. Costos de materiales

4.3.3. Costo de mano de obra

4.4. Precio del sistema de faros activo al público

161

CAPÍTULO 4


IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE ILUMINACIÓN ACTIVO

4.1. Introducción

La aplicación de la electrónica al automóvil es tal, que en la actualidad los vehículos

están provistos de un gran número de aparatos cuyo funcionamiento se produce

gracias a la transformación de la energía eléctrica en otra clase de energía, en nuestro

caso mecánica, todo ello en beneficio de una mayor seguridad en los vehículos y

mejor confort de los pasajeros.

El conjunto de todos los mecanismos que funcionan utilizando la energía eléctrica,

forman el llamado equipo eléctrico del automóvil, del cual nuestro sistema formaría

parte del circuito de accesorios. Los circuitos electrónicos deben estar diseñados y

protegidos convenientemente para evitar en lo posible que se produzcan anomalías

en el funcionamiento de los mismos.

Cada uno de los circuitos enumerados tiene una misión concreta que realizar y para

ello dispone de un determinado número de aparatos, situados en los mas diversos

lugares del vehículo y a los que es preciso hacer llegar la energía eléctrica, para lo

cual, se interconectan por medio de una instalación eléctrica, en la que los órganos de

mando van situados en su mayor parte en el habitáculo y al alcance del conductor

para su gobierno.

4.2. Objetivo

El objetivo de este capítulo no es de convencer a todos los lectores de instalar el

sistema de faros antiniebla activo en su vehículo, sino de darles a conocer la

diferencia que existe entre conducir con un sistema de luces convencional y un

sistema de luces activo, comparándolo con el gasto que esto representa, para ello

describiremos los costos que representa la construcción y colocación del circuito de

faros antiniebla activo en el vehículo corsa evolution 1.8, para este análisis no se

considera los costos que involucran el diseño del sistema, ni tampoco los costos de la

patente, por lo que será relativamente bajo con respecto a su costo de producción.

162

4.3. COSTOS TOTALES DE DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN

Para realizar el análisis económico del sistema de luces antiniebla activo, debemos

distinguir los costos de diseño, materiales y mano de obra, por ello consideramos

estudiarlos individualmente.

4.3.1. COSTOS DE DISEÑO

En los costos de diseño constan los documentos adquiridos y las licencias de los

software utilizados en el proceso, los cuales son:

LIBRO: BOYLESTAD, Robert. Teoría de circuitos y dispositivos

electrónicos. 8va Edición.

LIBRO: MOTT, Robert. Diseño de elementos de máquinas. 4ta Edición.

LIBRO: PEREZ, Alonso. Técnicas del Automóvil. Equipo Eléctrico. 9na

Edición.

LIBRO DE REPARACIÓN Y MANTENIMIENTO DEL CORSA

EVOLUTION 1.8.- es un documento digital en donde se encuentran todos los

datos técnicos del vehículo.

AUTOCAD 2007 3D.- es un programa de diseño mecánico, en el cual se

realizó distintos dibujos de la estructura que sostendrá los faros antiniebla y

también fue utilizado para diseñar las ruedas dentadas que activarán a los

sensores.

EAGLE 5.9.- es un programa que diseña placas de circuitos electrónicos, en

el cual se diseñaron: el circuito que mueve los faros y el circuito indicador de

la dirección recta.

WORKBENCH 5.12.- este es un programa de simulación donde se puede

construir distintos circuitos de prueba que previamente se habían diseñado,

para comprobar su funcionamiento.

En la Tabla 4.1 detallamos los costos de cada documento y software utilizado para el

diseño.

163

Documentos y Software Costos

BOYLESTAD. Teoría de circuitos y dispositivos

electrónicos

$ 78,44

MOTT. Diseño de elementos de máquinas $ 67

PEREZ. Técnicas del Automóvil. Equipo Eléctrico $ 59

LIBRO DE REPARACIÓN Y MANTENIMIENTO DEL

CORSA EVOLUTION 1.8

$ 50

AUTOCAD 2007 3D $ 1850

EAGLE 5.9 -

WORKBENCH 5.12 -

TOTAL $ 2104.44

Tabla 4.1. Costos de Diseño

Fuente: Los Autores

El costo de documentos adquiridos y licencia de software utilizados es de $2104.44,

este valor solo se lo tomará en cuenta para obtener el costo total de la tesis mas no

para obtener el precio del circuito de venta al público.

4.3.2. COSTO DE MATERIALES

En los costos de materiales constan las partes y accesorios necesarios para desarrollar

el sistema de faros antiniebla activo, los cuales se encuentran dividimos en sistema

mecánico, sistema electrónico y estética funcional, detallados en la Tabla 4.2.

SISTEMA MECÁNICO

MATERIALES COSTO

Estructura de sujeción del faro $150

Estructura de sujeción de los sensores $20

Transmisión Tornillo sin fin y rueda dentada $80

Rodamientos $30

Faros Antiniebla $90

Faros de carretera $110

Focos de 40W $16

164

SISTEMA ELECTRÓNICO

MATERIALES COSTO

Relé e interruptores $30

Cable y socket de instalaciones $40

Sensores $28

Motores paso a paso $40

Partes constitutivas del circuito electrónico $120

Ventilador y disipadores $25

Cubierta del circuito $20

ESTÉTICA FUNCIONAL

MATERIALES COSTO

Adecuación del parachoques al sistema $30

Pintura $10

TOTAL

$ 839

Tabla 4.2: Costos del sistema eléctrico, mecánico y estética funcional

Fuente: Los Autores

El costo implementación del sistema eléctrico, mecánico y estética funcional es de

839 dólares. Este valor representa todos los materiales utilizados en el sistema de

faros activo, pero este valor puede bajar en caso de comprar material en grandes

cantidades para una producción en masa.

4.3.3. COSTO DE MANO DE OBRA

Para ser mas exactos en el costo de la mano de obra, decidimos hacer el cálculo de

acuerdo a las horas que se necesitan para construir e implantar el sistema de faros

antiniebla activo en un vehículo, en donde cada hora de trabajo tendrá un costo de

$4, en la Tabla 4.3 se detallará el tiempo que demora una persona en cada fase del

proceso.

165

FASES DEL PROCESO TIEMPO (horas)

1ra Fase: Construcción del circuito electrónico 12

2da Fase: Construcción del sistema mecánico de sujeción 15

3ra Fase: Construcción del mecanismo de movimiento 5

4ta Fase: Instalación del circuito y sensores 15

5ta Fase: Adecuación del parachoques al sistema 8

TOTAL 55

Tabla 4.3: Tiempo en horas que le toma a una persona construir e implantar el sistema activo en el vehículo

Fuente: Los Autores

Si al tiempo de 55 horas empleadas en construir e implementar el sistema de faros

antiniebla activo en el vehículo lo multiplicamos por el costo por hora de 4 dólares,

tendremos el costo de mano de obra.

dólaresobrademano

hobrademano

horaportohorasentiempoobrademano

220

455

cos

Los gastos totales de diseño e implementación se resumen en la Tabla 4.4.

ÁMBITO COSTO

DISEÑO $ 2104.44

MATERIALES $ 839

MANO DE OBRA $ 220

TOTAL $ 3163.44

Tabla 4.4: Gastos totales de diseño e implementación

Fuente: Los Autores

El total de costo de la construcción e implementación del sistema de faros antiniebla

activo en el corsa evolution 1.8 es de 3163.44 dólares, pero este costo es alto debido

166

al diseño del prototipo y todas los cambios que esto involucra hasta tener un sistema

fiable y disponible al público.

En caso de producir en serie este sistema algunos de los gastos ya no se tomarían en

cuenta, tales como los de diseño, e inclusive los costos de materiales podrían bajar si

los adquirimos en grandes cantidades y solo lo necesario, por ello concluimos este

capítulo analizando el precio del sistema si se lo vendiera el público.

4.4. PRECIO DEL SISTEMA DE FAROS ACTIVO AL PÚBLICO

Para obtener este precio consideraremos el costo de los materiales finalmente

utilizados, esto quiere decir que solo son algunos de la lista total de los materiales

adquiridos, entre ellos describimos en la Tabla 4.5.

SISTEMA MECÁNICO

MATERIALES COSTO

Estructura de sujeción del faro $100

Estructura de sujeción de los sensores $20

Transmisión Tornillo sin fin y rueda dentada $60

Rodamientos $30

Faros de carretera $110

Focos de 40W $16

SISTEMA ELECTRÓNICO

MATERIALES COSTO

Relé e interruptores $12

Cable y socket de instalaciones $30

Sensores $14

Motores paso a paso $30

Partes constitutivas del circuito electrónico $80

Ventilador y disipadores $25

Cubierta del circuito $20

ESTÉTICA FUNCIONAL

MATERIALES COSTO

Adecuación del parachoques al sistema $30

167

Pintura $10

TOTAL

$587

Tabla 4.5: Costo de los materiales necesarios

Fuente: Los Autores

El valor se redujo bastante, de $ 839 a $ 587 y este sería en realidad los costos de

materiales utilizados en el circuito.

En cuanto a la mano de obra el valor se mantendrá igual, por que el tiempo que se

demora en realizar e instalar el sistema conlleva alrededor de 55h, debido a algunas

adecuaciones y variaciones que se producirán en diferentes vehículos, el costo de

mano de obra es de $220.

En la Tabla 4.6 se detalla el costo del sistema en caso de producirlo en grandes

cantidades.

ÁMBITOS COSTO

MATERIALES $587

MANO DE OBRA $220

TOTAL $807

Tabla 4.6: Precio del sistema al público

Fuente: Los Autores

Se consideró tener unas utilidades del 10%, para no elevar mucho el precio final, y

sea accesible a todo aquel que necesite el sistema de faros activo.

El precio de venta al público del sistema será de 899 dólares, bastante inferior al

costo de diseño que fue de 3163.44 dólares.

En conclusión los gastos de diseño cuadriplicaron el costo de producción, esto es

normal debido a que no siempre el primer diseño es el definitivo, el sistema aunque

168

funcione se le impone pruebas de campo severas como agua, polvo, etc., para luego

considerarlo como efectivo y listo.

El tema de este capítulo inicialmente se denominó análisis económico y de

factibilidad, estudio que sirve para conocer la aceptación del sistema en la

comunidad futura de consumidores, por ello este capítulo con ese nombre tuvo que

ser el estudio de apertura de la tesis. Precisamente el estudio comienza identificando

los posibles clientes, para ello se vale de estadística, que debido al gran número de

vehículos que existen en la ciudad de Cuenca las encuestas estarían alrededor de un

número de 400, posteriormente se analizará cuales fueron los gastos, costos e

inversiones realizadas, en caso de instalar un taller especializado en el diseño

construcción, implementación y mantenimiento del sistema de faros activo

considerando costos implícitos y explícitos, oferta, demanda, clientes, sueldos,

implementación del taller, maquinaria, herramientas, publicidad, servicios básicos

devaluaciones, ingresos, utilidades, impuestos a la renta y todo esto en un periodo de

cinco años para al fin obtener el VAN (Valor Neto Actual) que al ser negativo nos

indica que el proyecto no es conveniente realizar por lo que se lo debe rechazar y en

caso de ser positivo nos indica que el proyecto está bien encaminado y tendrá buena

aceptación en la sociedad. Todo este estudio es muy extenso, nuestra tesis no está

enfocada en ello y puede ser tema de otra tesis, por ello se optó por modificar el

tema de este capítulo cambiándolo a análisis financiero del diseño, construcción e

implementación del sistema de iluminación activo en donde únicamente se detalla los

gastos realizados en comprar documentos, licencias para software, materiales, mano

de obra y utilidades, análisis suficiente para determinar el precio de venta a público

del sistema de faros activo y dar a conocer a los lectores sobre el costo que implica

implementar un nuevo sistema electrónico al vehículo.

169

CAPITULO 5

PRUEBAS DE FUNCIONALIDAD Y PROCESOS DE

MANTENIMIENTO DEL

SISTEMA DE ILUMINACIÓN ACTIVA

SUMARIO

5.1. Introducción

5.2. Objetivo

5.3. Sistema convencional de Iluminación

5.4. Sistema de Iluminación activa

5.5. Ventajas y Desventajas de cada sistema

5.6. Calibración de los Faros

5.7. Pruebas de Funcionalidad de acuerdo a estándares de seguridad vehicular del

sistema de iluminación activa.

5.7.1. Cambios realizados por exigencias de la norma de seguridad vehicular

5.7.2. Pruebas de Funcionalidad

5.7.2.1. Pruebas de campo en la noche

5.7.2.2. Pruebas de campo en la noche con neblina

5.7.2.3. Pruebas de campo en la noche con lluvia

5.7.2.4. Pruebas de campo en la noche con polvo

5.7.2.5. Tabla de resultados de las pruebas de campo con el sistema apagado y

encendido.

5.7.2.6. Medición de la temperatura de los transistores

5.8. Mantenimiento Preventivo y Correctivo del sistema de iluminación activa.

5.8.1. Mantenimiento Preventivo del sistema de iluminación activa.

5.8.1.1. Mantenimiento preventivo de la parte electrónica del sistema.

5.8.1.2. Mantenimiento preventivo del circuito de faros antiniebla.

5.8.1.3. Mantenimiento preventivo de la parte mecánica del sistema.

5.8.2. Mantenimiento Correctivo del sistema de iluminación activa.

5.8.2.2. Mantenimiento correctivo de la parte mecánica del sistema.

5.8.2.3. Mantenimiento correctivo y diagnóstico de la parte electrónica del sistema.

5.9. Cuadro sinóptico de averías del circuito de faros activo

5.9.1. Calibración de los faros

170

CAPITULO 5

PRUEBAS DE FUNCIONALIDAD Y PROCESOS DE MANTENIMIENTO

DEL SISTEMA DE ILUMINACIÓN ACTIVA

5.1. Introducción

Las pruebas de funcionalidad son las pruebas de campo que se realizaron con el

sistema de faros activo encendido y apagado, para así llegar a comparar y sacar un

resultado de funcionamiento.

Se puede decir, que el mantenimiento aparece de la necesidad de prolongar la vida

útil de: máquinas, herramientas, equipos, etc. Todos los mecanismos, según su

utilización tienden a deteriorarse por varios factores, esto disminuye su beneficio y

su valor comercial. Por tal motivo, un mantenimiento correcto logra reducir

considerablemente el desgaste, la depreciación.

Dentro de las actividades de mantenimiento, una de las más importantes es el

“mantenimiento preventivo” dado que su práctica además de conseguir un mejor

funcionamiento de vehículos y equipos, permite llegar a una programación de

reparaciones y consecuentemente a un aumento de horas productivas.

5.2. Objetivo

El objetivo de este capítulo es el de comparar detenidamente el sistema de faros

antiniebla convencional frente al sistema de faros antiniebla activo, mencionando las

ventajas, desventajas, fortalezas, debilidades de cada uno de ellos, considerando

siempre la seguridad, calidad y desempeño. También se mostrará a los lectores

mediante figuras la diferencia que existe en conducir el vehículo sin el sistema de

faros activo y con el sistema de faros activo, mostrándole las ventajas que presenta

este último sistema para que así pueda llegar a sus propias conclusiones.

Luego se analiza de acuerdo a las características del sistema, la versatilidad de

implementación del sistema de luces antiniebla activo en distintos vehículos, el

sistema aunque a breves rasgos puede ser adaptable a cualquier tipo de automóvil

puede tener pequeñas excepciones, en general el sistema posee gran versatilidad y un

posible mercado de aplicación muy amplio.

171

El último objetivo es el de dar a conocer el mantenimiento que se debe hacer al

sistema para prolongar la vida útil del mismo.

5.3. Sistema convencional de iluminación

“Para que un vehículo pueda circular de noche, se hace preciso iluminar el camino

por el que transita; pero en la actualidad tan necesario como esto, el que los demás

usuarios de la vía pública puedan ver por detrás a este vehículo.

La misión del alumbrado es proporcionar al conductor todos los servicios de luces

necesarios prescritos por ley para poder circular tanto en carretera como en ciudad,

así como todos aquellos servicios auxiliares de control y confort para la utilización

del vehículo, las misiones que cumple el alumbrado son las siguientes:

1. Facilitar la perfecta visibilidad al vehículo.

2. Posicionar y dar visibilidad al vehículo.

3. Indicar los cambios de maniobra.

4. Servicios de control, anomalías.

5. Servicios auxiliares para confort del conductor.” 46

Es por esas causas que resulta imprescindible disponer en los automóviles una serie

de luces anteriores y posteriores, que están reglamentadas y tipificadas en la norma

técnica ecuatoriana INEN 1155.

“De acuerdo con esta norma, los automóviles han de estar provistos en la parte

delantera de las siguientes luces de alumbrado:

Dos faros delanteros que contengan luz de alumbrado, alta y baja (60/55W)

que pueden ser de color blanco o amarillo. Estos faros deben disponer de un

dispositivo de reglaje que permita calibrar el mismo. La luz que emiten debe

ser asimétrica con mayor iluminación hacia la derecha para no deslumbrar a

los conductores que vienen de frente y poder ver a los peatones que circulen

por la berma.

Dos faros antiniebla, pueden ser de color blanco o amarillo de 45W de

potencia. La altura debe estar a no menos de 250 mm por encima del suelo, y

46

PEREZ, Alonso. Técnicas del Automóvil. Equipo Eléctrico. 9na Edición. p. 325

172

no más alto de los faros delanteros del vehículo. En cuanto a longitud debe

estar colocada para no molestar al conductor ni directa ni indirectamente a

través de los retrovisores o de otras superficies reflectantes del vehículo.

Luces indicadoras delanteras de posición y direccionales (25W), la

intensidad luminosa de los focos de las luces indicadoras delanteras deben ser

de baja intensidad luminosa, menor a la de los faros delanteros.

También deben constar luces laterales en el vehículo, como las siguientes:

Luces indicadoras laterales de posición y direccionales (25W), deben ser de

intensidad luminosa menor o igual a la de las luces indicadoras delanteras,

estas luces laterales son obligatorias para vehículos cuya longitud sea mayor

o igual a los 6000 mm.

Por ultimo existen luces posteriores de iluminación en el vehículo.

Entre las luces posteriores tenemos las de posición, direccionales, reversa,

freno y luz de la placa de matricula (5-10W). Su intensidad luminosa deben

ser de baja intensidad, menor a la de los faros delanteros. La intensidad de

las luces de freno debe ser mayor a la intensidad de las luces de posición. Los

elementos que conforman las luces de frenado, posición o direccionales

deben encenderse de modo simultaneo y con los colores especificados en la

Tabla 5.1” 47

Luces Indicadoras Posteriores Cantidad Mínima Color

Luces de posición 1 por lado Rojo

Luces direccionales 1 por lado Ámbar o rojo

Luces de reversa 1 Blanco

Luces de freno 1 por lado Rojo

Luz de placa 1 Blanco

Tabla 5.1: Colores obligatorios en las luces posteriores

Fuente: Los Autores

47

INSTITUTO ECUATORIANO DE NORMALIZACIÓN, Norma Técnica Ecuatoriana 1155,

Primera Edición, 2009. p.5

173

5.4. Sistema de iluminación activa

Así se denomina al sistema de faros antiniebla que iluminan en función de la

conducción, esto quiere decir que los faros antiniebla siguen los movimientos

direccionales del vehículo, mejorando notablemente la iluminación en curvas. De

este modo, el conductor puede reconocer el trazado de la curva y detectar posibles

obstáculos con mayor rapidez. La luz de giro integrada en los faros mejora

notablemente la iluminación de la calzada, por ejemplo al doblar en un cruce, al

tomar una curva cerrada o al aparcar.

En la actualidad, la marca MERCEDEZ BENZ ha desarrollado en sus vehículos de la

clase M, faros de bi-xenón con luces activas y luz de giro, desarrollando viajes

nocturnos más seguros. (Véase la Figura 5.1)

Figura 5.1: Movimiento de las luces con respecto a la dirección del vehículo

Fuente: Universidad Politécnica de Catalunya, Seguridad activa y pasiva en el automóvil, 2006

Al hablar de seguridad activa en un automóvil se hace referencia al conjunto de

mecanismos o dispositivos destinados a disminuir el riesgo de que se produzca un

accidente. Así, unos frenos eficaces, una dirección precisa, unos neumáticos y

amortiguadores en buen estado o un motor con buena capacidad de respuesta son

factores que intervienen en la seguridad activa. Si bien, los sistemas específicamente

desarrollados en las últimas décadas para mejorar la seguridad activa son el

antibloqueo de frenos, la tracción total o los controles de estabilidad y tracción

La seguridad activa dirigida al alumbrado facilita la visión del conductor así como el

ser visto.

174

También, algunos fabricantes incorporan a sus modelos un sistema de luces de cruce

autoadaptables, el cual dirige el haz de luz para iluminar las curvas en su totalidad

desde el inicio del viraje, en función del giro del volante, lo que incrementa

notablemente la seguridad.

5.5 Ventajas y desventajas de cada sistema

El siguiente es un cuadro comparativo de los dos sistemas tanto el sistema de

iluminación convencional como el sistema de iluminación activa, analizando las

fortalezas y debilidades de cada sistema dependiendo del ámbito a tratar. (Véase la

Tabla 5.2)

AMBITOS SISTEMA

CONVENCIONAL

SISTEMA ACTIVO

ILUMINACIÓN Desventaja: La iluminación

de los faros es paralela al

vehículo. Deja zonas poco

iluminadas en curvas.

Ventaja: La dirección de

iluminación esta en función

de la dirección del vehículo,

eliminando las zonas poco

iluminadas en curvas.

SEGURIDAD Desventaja: El sistema no

brinda buena visibilidad en

curvas. La falta de visibilidad

puede ser causa de accidentes.

Ventaja: El sistema brinda

buena visión en curvas

evitando accidentes

UTILIDAD Desventaja: En la sierra la

situación geográfica es muy

irregular, por ello el sistema

sería obsoleto

Ventaja: El sistema se lo

puede adecuar para que se

adapte a las condiciones

geográficas del medio.

COMERCIAL Desventaja: el sistema no

representa un valor agregado

al vehículo

Ventaja: El sistema

representa un valor agregado

al vehículo por lo que

costaría más.

VERSATILIDAD Ventaja.- Se lo puede instalar

en cualquier tipo de vehículo

Ventaja.- Se lo puede

instalar en cualquier tipo de

vehículo

PRIMICIA Desventaja: el sistema viene Ventaja: el sistema es una

175

de fábrica atracción, a más de ser de

gran utilidad no existe otro

sistema igual en el medio.

MANTENIMIENTO Ventaja: Lo puede realizar un

técnico en iluminación, tiene

un bajo costo y tiempo de

realización

Desventaja: Únicamente lo

puede realizar un técnico

especializado, el costo y

tiempo empleado será mas

alto que el del sistema

convencional

COSTOS Ventajas: El sistema tiene un

costo normal ó relativamente

bajo en comparación con el

sistema activo.

Desventaja: El sistema es

más caro que el sistema

convencional.

SENCILLEZ Ventajas: el circuito de

instalación es sencillo de

instalar

Desventajas: El sistema

presenta problemas de

instalación cuando hay poco

espacio en el habitáculo

ESPACIO FÍSICO Ventaja: Las partes

constitutivas son pocas.

Desventaja: Sus elementos

requieren espacio para su

normal funcionamiento.

ESTÉTICA Ventaja: No se modifica Desventaja: Cambia la

estética del frente del

vehículo. Ventaja: depende

del diseño.

ELÉCTRICO Ventaja: el Alternador y

Batería están diseñados para

el sistema

Desventaja: en caso que el

sistema eléctrico no

abastezca se deberá cambiar

de alternador.

NORMA TÉCNICA Ventaja: existen normas que

regulan el sistema

Desventaja: no existen

normas que regulen su

utilización

Tabla 5.2: Cuadro comparativo del sistema convencional y del sistema activo

Fuente: Los Autores

176

La comparación entre los dos sistemas es imparcial, sin buscar preferencias, nos

damos cuenta que el sistema activo aportaría mucho al desarrollo electrónico del

vehículo y sobre todo a mejorar la conducción en condiciones geográficas y

climatológicas adversas. El sistema activo es un avance en el proceso de

automatización el auto, aumenta en la seguridad activa del vehículo, evitando así los

accidentes de tránsito.

5.6. Calibración de los faros

“La regulación correcta de los faros del vehículo debe suministrar un alumbrado

perfecto de la carretera cuando fuese utilizada luz baja, presentando una ofuscación

mínima con respecto a los vehículos que estén transitando en el carril opuesto.

Cuando vaya a regular el faro, asegúrese de que la superficie de la carretera y la

superficie en la que se va a efectuar la regulación estén planas y paralelas. Los

neumáticos del vehículo se deben llenar según la presión especificada. La regulación

es efectuada con el vehículo con el peso en orden de marcha más una persona ó 75

kg en el asiento del conductor.

El aparato de regulación del faro es ajustado según las especificaciones del

fabricante; es ajustado con el 1.0 % de inclinación para la luz baja y con 2% de

inclinación para el faro antiniebla.

PROCEDIMIENTO:

I. Se retira el vehículo de la pared hasta una distancia de 10m. asegurándose de

hacerlo que la orientación de las ruedas sea la correspondiente a marcha en

línea recta (Véase la Figura 5.2)

Figura 5.2: Esquematización del proceso de calibrado


177

II. Encender la luz de cruce y actuar sobre los tornillos de reglaje hasta

conseguir que el haz de luz de cada uno de los faros, quede 10cm por debajo

de la línea horizontal trazada anteriormente y bien centrado sobre la cruz

(Véase la Figura 5.3)

Figura 5.3: Calibración de la luz de cruce

Fuente: Los Autores

III. Encender la luz de carretera y comprobar que el haz de cada faro incide sobre

la cruz trazada al efecto. (Ver la Figura 5.4)

Figura 5.4: Calibración de la luz de carretera


IV. Por último se comprueba que la luz de faros de carretera colocados

adicionalmente estén 20 cm por debajo de la línea de trazada y el vehículo a

una distancia de 10m del tablero (Véase la Figura 5.5).

178

Figura 5.5: Calibración de la luz de faros de carretera adicionales

Fuente: Los Autores

De esta manera se pudo calibrar las luces del vehículo de acuerdo a los

requerimientos del manual de taller del vehículo.” 48

5.7. Pruebas de Funcionalidad de acuerdo a estándares de seguridad vehicular

del sistema de iluminación activa.

Las pruebas de funcionalidad, son pruebas de campo realizadas en distintos tipos de

ambiente, en este caso las pruebas dieron resultados que obligaron a realizar

modificaciones en el sistema activo para contrastar con las normas de iluminación.

5.7.1. Cambios realizados por exigencias de la norma de seguridad vehicular

En el transcurso de prueba de funcionalidad del sistema de faros antiniebla activos se

tuvo que cambiar los faros antiniebla escogidos a faros de carretera, pues estos al

momento de funcionar en conjunto con el circuito electrónico, deslumbraban a los

conductores que vienen en sentido contrario en una curva.

Esto se producía debido a la forma del haz de luz de los faros antiniebla. En la Figura

5.6 se muestra la forma del haz de un faro antiniebla.

48

MANUAL DE TALLER, Corsa Evolution 1.8, p. 2577

179

Figura 5.6: Haz de luz de un faro antiniebla

Fuente: Los Autores

Como se puede observar el haz de luz emitido por este tipo de faros es paralelo al

suelo, amplio y de baja altura, por lo que su instalación debe hacerse por debajo de la

línea del capo del vehículo.

Entonces con esta forma de haz de luz al momento que los faros giran encandilan a

los vehículos que circulan en sentido contrario, por lo que se opto por colocar faros

de luz Alta asimétrica (Véase la Figura 5.7), debido a que su haz de luz no afecta a

los conductores que circulan en sentido contrario.

Figura 5.7: Haz de luz asimétrico

Fuente: Los Autores

180

Con el cambio de faros realizados obedecemos lo que determina la norma NTE

INEN 1155:2009 “Vehículos automotores. Dispositivos para mantener o mejorar la

visibilidad” en sus literales 5.10.2.3 y 5.10.2.4 que resumiendo dice que el haz de luz

debe ir de tal manera que no provoque deslumbramiento al conductor que conduce en

sentido contrario. Optándose así por colocar faros de carretera de luz asimétrica, los

cuales reducen en gran manera los niveles de deslumbramiento.

Además de esto se ha cumplido con lo dispuesto en la norma NTE INEN 1155 en sus

literales 5.10.4.1 la luz debe ser de color amarillo o blanco selectivo. 5.10.5.1

cualquier luz antiniebla que disponga el vehículo debe encenderse únicamente previo

al encendido de las luces de posición.

5.7.2. Pruebas de Funcionalidad

Como ya se mencionó en capítulos anteriores el sistema de faros activo diseñado

sirve para mejorar la visibilidad en conducción en curvas. En este apartado

procedemos a realizar las pruebas de funcionalidad para con ello llegaremos a

determinar si el sistema ayuda o no a mejorar la visibilidad en curvas.

5.7.2.1. Pruebas de campo en la noche

Como se puede observar en las Figuras 5.8 y 5.9 el sistema es muy eficiente cuando

el vehículo toma una curva hacia la derecha.

Figura 5.8: Con el sistema apagado Figura 5.9: Con el sistema encendido

Fuente: Los Autores

181

Además se puede observar en las Figuras 5.10 y 5.11 que también el sistema es

eficiente cuando el vehículo toma una curva hacia la izquierda se puede observar

también que el haz de luz no encandila al conductor que viene en sentido contrario.

Figura 5.10: Con el sistema apagado Figura5.11: Con el sistema encendido

Fuente: Los Autores

La distancia de iluminación está alrededor de 8m, suficiente distancia como para no

deslumbrar a los conductores que vienen en sentido contrario y a la vez tener una

buena visibilidad de carretera.

5.7.2.2. Pruebas de campo en la noche con neblina

En este caso, el sistema se pone a prueba en un ambiente con neblina, en el cual

consigue buenos resultados. La Figura 5. 12 muestra la curva hacia la derecha

nublada con el sistema activo apagado (la visibilidad no es muy buena) y la Figura

5.13 muestra la misma de la curva hacia la derecha con el sistema activo encendido

(hay una buena visibilidad).


Fuente: Los Autores

182

Al mejorar la visibilidad, el conductor puede aumentar la velocidad en curvas,

permitiendo recorrer más espacio en menos tiempo haciendo que el viaje sea más

placentero y seguro.

5.7.2.3. Pruebas de campo en la noche con lluvia

La lluvia en la noche, tal vez sea el peor ambiente en el que se pueda conducir, por

ello fue importante realizar la comprobación del sistema en estas condiciones y los

resultados son alentadores. En la Figura 5.14 muestra la curva hacia la derecha casi

sin iluminación por que se circula con el sistema apagado pero en la Figura 5.15

muestra la misma curva hacia la derecha con mejor apreciación de la curva y de la

carretera.


Fuente: Los Autores

La visibilidad mejoró en gran capacidad por ello se puede circular a mayor

velocidad, sin embargo no se recomienda hacerlo debido a que la calzada se

encuentra resbalosa por la humedad en la misma.

En aumentar la velocidad también puede provocar complicaciones en el momento de

frenar, en caso de no contar con el sistema ABS (Antibloqueo de Frenos) por ello se

recomienda no excederse en velocidad cuando se circule por este tipo de clima.

183

5.7.2.4. Pruebas de campo en la noche con polvo

Para realizar este tipo de pruebas, buscamos un camino lastrado y seco,

aprovechando la presencia de otros vehículos que circulaban por la zona decidimos

seguir a uno de ellos para que nos genere polvo y así poder probar el sistema. En la

imagen 5.16 se circulaba con el sistema apagado, y las curvas eran poco iluminadas y

peor aún con presencia de polvo. En la Figura 5.17 se muestra la buena iluminación

a pesar del polvo que esta creando el vehículo que circula adelante.


Fuente: Los Autores

En esta prueba también comprobamos que la iluminación del sistema no oscila a

pesar de las irregularidades del terreno. Este tipo de carreteras al no estar bien

diseñadas puede presentar escombros en la calzada, la cual es una posible causa de

accidente, por ello se recomienda tener activado siempre es sistema en este tipo de

vías.

5.7.2.5. Tabla de resultados de las pruebas de campo con el sistema apagado y

encendido.

En la Tabla 5.3 se resumirá los resultados del nivel de iluminación de las pruebas de

campo en distintos ambientes con el sistema de faros activo apagado y con el sistema

de faros encendido.

AMBIENTE SISTEMA APAGADO SISTEMA

ENCENDIDO

Nocturno Regular Muy bueno

Nocturno con niebla Malo Bueno

184

Nocturno con lluvia Malo Bueno

Nocturno con polvo Malo Bueno

Tabla 5.3: Resultados de pruebas de campo

Fuente: Los Autores

En conclusión el sistema sirve tanto en curvas como en condiciones ambientales

adversas, esto sin perjudicar a los conductores que circulen en dirección contraria.

Entre las principales mejoras de visibilidad podemos destacar:

La buena observación de personas o animales que se encuentre en las orillas

de la calzada.

Mejora la visibilidad de señales de tránsito existentes en la vía.

El conductor al tener mejor visibilidad, está en capacidad de evitar los

baches, ayudando prolongar la vida útil del vehículo.

Mejora la seguridad de conducción.

5.7.2.6. Medición de la temperatura de los transistores

El sistema está compuesto por un circuito electrónico de potencia que mueve los

faros, en el cual se encuentran transistores que elevan su temperatura por la corriente

que los atraviesa, esta temperatura es controlada por disipadores de calor en cada

transistor y un ventilador para todos, sin embargo decidimos comprobar la

temperatura con un pirómetro (Véase la Figura 5.18). Los transistores de potencia

son los únicos que se calientan, los demás componentes del circuito permanecen a

temperatura ambiente, la comprobación la realizamos luego de hacer funcionar el

sistema durante una hora.

Figura 5.18: Medición de la temperatura del transistor

Fuente: Los Autores

185

La temperatura máxima de los transistores luego de una hora de funcionamiento es

de 53ºC, esta es una temperatura aceptable, ya que es susceptible al tacto y según el

catálogo del transistor soporta 200ºC como máximo. La temperatura no se eleva más

de este valor a pesar de aumentar el tiempo de uso del sistema.

5.8. Mantenimiento Preventivo y Correctivo del sistema de iluminación activa.

El sistema de iluminación activa está constituido de una parte electrónica, el circuito

de los faros antiniebla y una parte mecánica a continuación se describe algunos de

los procedimientos que se deben realizar para el mantenimiento del sistema.

5.8.1. Mantenimiento Preventivo del sistema de iluminación activa.

Este mantenimiento cubre todo el mantenimiento programado que se realiza con el

fin de prevenir la ocurrencia de fallas.

5.8.1.1. Mantenimiento preventivo de la parte electrónica del sistema.

Para el mantenimiento preventivo de la parte electrónica del sistema lo único que se

va a realizar es revisar la conexión de los sockets (Véase la Figura 5.19), revisar los

cables conductores que estén sin cortaduras y bien aislados, revisar que la caja de

circuitos se encuentre bien sujeta y revisar que no haya humedad en el relé que

enciende el circuito electrónico (Véase la Figura 5.20) además se revisará que el

motor de pasos se encuentre sin golpes y suciedad.

Figura 5.19: Sockets de conexión Figura 5.20: Relé de encendido del circuito

Fuente: Los Autores

El mantenimiento preventivo de la parte electrónica del sistema se lo realizará cada

20000 Km ó 6 meses, lo que suceda primero.

Relé que enciende

el circuito

electrónico.

186

5.8.1.2. Mantenimiento preventivo del circuito de faros antiniebla.

En el circuito de faros antiniebla, se deben revisar que los conductores se encuentren

sin cortaduras y bien aislados, que los relés de conexión se encuentren sin humedad y

que el fusible de protección de 30 amperios no este quemado (véase la Figura 5.21).

Figura 5.21: Lugar donde se encuentran los Relés

Fuente: Los Autores

Las revisiones anteriores se la realizarán cada 20000 Km ó 6 meses, lo que suceda

primero.

Uno de los aspectos importantes a revisar es que no exista humedad en los faros

antiniebla y que sus conexiones se encuentren en buen estado, esto se lo realizará

cada 30000 Km ó 9 meses, lo que suceda primero. Pues es solo una inspección visual


Figura 5.22: Revisión visual de los faros antiniebla.

Fuente: Los Autores

Relé que enciende

los faros

antiniebla y

fusible de

protección

Relé que permite el

encendido de los faros,

siempre que este

encendida la luz de

posición del vehículo.

187

5.8.1.3. Mantenimiento preventivo de la parte mecánica del sistema.

El mantenimiento preventivo de la parte mecánica del sistema es quizá el más

importante debido a que el correcto funcionamiento del mismo garantizará que todo

el sistema de faros antiniebla activos cumpla con sus funciones óptimas. Se debe

tomar en cuenta que la parte mecánica está sometida a muchos agentes dañinos como

el agua, el polvo, etc. Por lo cual se debe engrasar de manera minuciosa el sistema de

transmisión de movimiento, el buje guía del tornillo sin fin en donde se ha fabricado

una ranura para su engrasado (Véase la Figura 5.23).

Figura 5.23: Sistema de transmisión de movimiento.

Fuente: Los Autores

En los rodamientos y bujes que permiten el movimiento de los faros de deberá

colocar grasa líquida, ya que esta penetra mejor en los mecanismos (Véase la Figura

5.24)

Figura 5.24: Rodamientos y bujes

Fuente: Los Autores

Este mantenimiento se lo realizará cada 25000 Km. Aproximadamente.

Puntos de

engrasado

Puntos donde

se coloca

grasa líquida

188

5.8.2. Mantenimiento Correctivo del sistema de iluminación activa.

El mantenimiento correctivo es aquel que se ocupa de la reparación una vez se ha

producido el fallo y el paro súbito del sistema.

El mantenimiento correctivo se puede dar por muchos factores ya sean mecánicos o

electrónicos, y lo debe realizar el técnico especializado en el sistema.

El mantenimiento correctivo se lo realizará en el sistema electrónico, el circuito de

los faros antiniebla y en el sistema mecánico de los faros.

5.8.2.2. Mantenimiento correctivo de la parte mecánica del sistema.

Se realizará el cambio del sistema de transmisión de movimiento si este se encuentra

dañado por un uso inadecuado o por daños de agentes externos tales como golpes,

etc.

Se cambiará los rodamientos que permiten el movimiento de los faros en caso de

presentar picaduras en sus pistas haciendo que el movimiento sea trabado.

En caso de accidentes de tránsito en donde se vea afectado el sistema mecánico se

procederá al cambio de todo el sistema mecánico integro.

5.8.2.3. Mantenimiento correctivo y diagnóstico de la parte electrónica del

sistema.

En la parte electrónica del sistema existen muchos elementos por los cuales todo el

sistema de faros antiniebla activos puede fallar a continuación describiremos los

fallos que puedan ocurrir y su respectivo diagnóstico

a) Si el sistema enciende pero no asiste al conductor en las curvas, es decir

los faros antiniebla no giran.

Como primer paso se procede a desmontar una parte del tablero que cubre el circuito,

con la ayuda de un torx T 20. (Véase la Figura 5.25)

189

Figura 5.25: Parte del tablero que cubre el circuito

Fuente: Los Autores

Luego procedemos a quitar los dos tornillos de sujeción de la caja del circuito con un

desarmador plano. (Véase la Figura 5.26)

Figura 5.26: Tornillos de sujeción de la caja de circuitos

Fuente: Los Autores

Luego con la caja del circuito ya desmontada (Véase la Figura 5.27), se revisa que

todas las conexiones se encuentren en buen estado.

Figura 5.27: Localización de la caja de circuitos

Fuente: Los Autores

190

En caso de encontrarse bien las conexiones, medimos el voltaje de alimentación al

circuito con la ayuda de un multímetro (Véase la Figura 5.28 y 5.29), encendemos el

sistema y medimos en el socket de alimentación, el cual debe marcar 12.3V con el

vehículo apagado.

Figura 5.28: Socket de Alimentación del circuito Figura 5.29: Comprobación de la Alimentación del circuito

Fuente: Los Autores

En caso de no dar este voltaje, se procede a cambiar el fusible del circuito por otro de

10 A, el cual seguramente esta quemado (Véase la Figura 5.30)

Figura 5.30: Fusible de protección

Fuente: Los Autores

En caso de estar bien el fusible procedemos a desarmar la cubierta del circuito con un

desarmador estrella (Véase la Figura 5.31)

Figura 5.31: Caja de circuito desmontada.

Fuente: Los Autores

191

Con la cubierta desarmada (Véase la Figura 5.32) revisamos nuevamente las

conexiones de los cables. Si los sockets están flojos o desconectados o los cables se

encuentran en mal estado o están haciendo mal contacto reemplácelos y vuelva a

comprobar si el sistema funciona quizá sea ese el daño.

Figura 5.32: Caja de circuito cubierta desarmada

Fuente: Los Autores

Luego revisamos con el multímetro, el diodo de seguridad de la placa que comanda

a los motores. El multímetro debe encontrarse en la opción de comprobador de

diodos (Véase la Figura 5.33). Colocando el puntal rojo del multímetro en el extremo

izquierdo del diodo y el puntal negro del multímetro en el extremo derecho del diodo

deberá existir continuidad (Véase la Figura 5.34) y en caso de conectar inversamente

no debe haber continuidad.

Figura 5.33: Multímetro, comprobador de diodos Figura 5.34: Comprobación del diodo

Fuente: Los Autores

192

Si todo está bien seguimos con las comprobaciones. Con el sistema encendido y un

voltímetro medimos los voltajes de alimentación de los motores los cuales deben

tener un valor de 4.8 Vcc, para ello el voltímetro de lo coloca como se muestra en la

Figura 5.35. Si no marca este valor los reguladores de voltaje o transistores de

potencia están quemados, se debe reemplazarlos.

Figura 5.35: Medición de los voltajes de alimentación de las bobinas

Fuente: Los Autores

En caso de que las comprobaciones sean positivas requeriremos la ayuda de un

osciloscopio para obtener el diagnostico de los sensores de posición de la dirección

del vehículo para ello se realiza la conexión como se indica en la Figura 5.36.

193

Figura 5.36: Forma de conexión del osciloscopio

Fuente: Los Autores

Se procede a girar el volante en una dirección y se deberá obtener el oscilograma que

se muestra en la Figura 5.37, que es la señal que da cada sensor este proceso se

deberá realizar con los cuatro sensores y cada uno debe dar la misma señal.

Figura 5.37: Oscilograma de cada sensor.

Fuente: Los Autores

El osciloscopio se conectará en cada uno de los cuatro sensores (Véase la Figura

5.38)

194

Figura 5.38: Conexión del osciloscopio en cada uno de los sensores

Fuente: Los Autores

Si uno de los sensores no da el oscilograma deseado, reemplace los sensores.

Otro diagnostico es obtener el oscilograma de la señal que llega a los motores para

ello se procede a colocar el osciloscopio como se muestra en la Figura 5.39.

Figura 5.39: Conexión del osciloscopio para obtener la señal de los motores.

Fuente: Los Autores

Se procede a girar el volante en una dirección y se deberá obtener el oscilograma que

se muestra en la Figura que es la señal que recibe cada bobina de los dos motores

195

este proceso se deberá realizar con las 4 bobinas de cada motor (véase la Figura 5.40)

y cada una debe dar la misma señal.

Figura 5.40: Oscilograma de cada bobina.

Fuente: Los Autores

El osciloscopio se conectara a cada uno de los cuatro terminales de las bobinas de

cada motor (Véase la Figura 5.41)

Figura 5.41: Conexión del osciloscopio en cada uno de las bobinas

Fuente: Los Autores

De no ser las mediciones correctas, fallo pudo haberse producido por que los

transistores están quemados.

196

Aún si todas las comprobaciones anteriores resultaran positivas el sistema se prende

pero no asiste, es posible que los motores hayan sufrido daños, es decir las bobinas

se quemaron se procede a reemplazar los motores.

El proceso de montaje, es sencillo solo se debe armar la cubierta de los circuitos,

luego sujetar la cubierta al tablero de instrumentos con los dos tornillos y cubrir el

circuito con una parte del tablero de instrumentos del vehículo.

b.) Puede que el LED verde o LED rojo no se enciendan

Con el sistema encendido y con el multímetro se debe comprobar voltaje en los

socket de los LED. Debe marcar 4.5 V en el socket del LED verde siempre y cuando

la dirección esté recta y también debe marcar 4.5 V en el socket del LED rojo solo

cuando los faros estén en dirección recta. (Véase la Figura 5.42)

Figura 5.42: Socket de los LED

Fuente: Los Autores

En caso de persistir el problema se debe comprobar los LED, para esto utilizamos el

multímetro y lo colocamos en la posición de comprobador de LED, al conectar

correctamente el multímetro se debe encender cada LED, si no se encienden se debe

reemplazarlos (Véase la Figura 5.43)

197

Figura 5.43: Comprobación de los LED

Fuente: Los Autores

Si todo está bien se procede a comprobar el funcionamiento de los sensores con un

osciloscopio tal y como comprobamos los sensores de la placa que controla a los

faros antiniebla. Si uno de los sensores no da el oscilograma deseado, reemplace los

sensores.

c.) Si el sistema de faros se mueven en función de la dirección pero las

lámparas no se encienden.

Se revisa el fusible que se encuentra en buen estado o si es necesario reemplazarlo

por otro de 30 A, luego se procede a revisar el relé que se encuentra junto a la

batería, en caso de presentar humedad, se lo deberá reemplazarlo (Véase la Figura

5.44).

Figura 5.44: Localización del relé de encendido del circuito electrónico

Fuente: Los Autores

Relé que enciende

el circuito

electrónico

198

Por último se revisa el estado de las lámparas, con la ayuda de un multímetro se

comprueba el estado del filamento, en caso de estar cortado o que el multímetro

marque infinito se debe reemplazar la lámpara.

5.9. Cuadro sinóptico de averías del circuito de faros activo

En la Tabla 5.4 se detallará las posibles averías, causas y soluciones que se puedan

dar en el sistema de faros activo,

SÍNTOMA CAUSA SOLUCIÓN

Los faros no encienden Fusible quemado

Relé defectuoso

Lámpara fundida

Sustituir Fusible

Sustituir Relé

Sustituir Lámpara

El sistema no asiste Fusible quemado

Relé defectuoso

Interruptor dañado

Sensores dañados

Sustituir Fusible

Sustituir Relé

Cambio de interruptor

Cambio de sensores

Los LED no encienden LED fundido

Socket defectuoso

Sensores dañados

Cambio de LED

Cambio de socket

Cambio de sensores

Descalibración de los

Faros

El sistema fue encendido o

apagado de forma no

sincronizada

La calibración se describe

con detalle en la sección

5.9.1.

Tabla 5.4: Cuadro sinóptico de averías

Fuente: Los Autores

5.9.1. Calibración de los Faros

En caso de que los faros no estén calibrados en dirección al volante, prestamos

especial atención a los LED verde y rojo que se encuentran en el tablero de

instrumentos (Véase la Figura 5.45) y seguimos la rutina para su respectiva

calibración.

199

Figura 5.45: Luces indicadoras que sirven para calibración de faros

Fuente: Los Autores

1. Colocar el volante en dirección recta, es decir cuando el LED verde se

encienda.

2. Encender el sistema, activar el interruptor del LED rojo y mover la dirección

del volante hasta conseguir que la luz de los faros activos se coloquen en

posición recta, es decir hasta que el LED rojo se encienda.

3. Apagar el sistema, colocar la dirección del volante recta hasta que el LED

verde se vuelva a encender, en este momento el LED verde y rojo estarán

encendidos, lo cual comprueba que el sistema está totalmente calibrado.

En conclusión lo único que el usuario del vehículo debe hacer en el mantenimiento

del sistema es revisar que las conexiones estén en buen estado caso contrario es decir

si el sistema falla, todas estas comprobaciones las debe realizar por el proveedor, de

no hacerlo así se pueden ocasionar daños más graves al sistema.

200

CONCLUSIONES GENERALES

La misión del alumbrado es proporcionar al conductor todos los servicios de luces

necesarios prescritos por ley para poder circular tanto en carretera como en ciudad,

así como todos aquellos servicios auxiliares de control y confort para la utilización

del vehículo.

Se denomina al sistema de faros antiniebla que iluminan en función de la

conducción, esto quiere decir que los faros antiniebla siguen los movimientos

direccionales del vehículo, mejorando notablemente la iluminación en curvas

La seguridad activa es todo aquel mecanismo instalado en el vehículo que disminuye

el riesgo de producirse un accidente, por lo tanto el sistema de iluminación activa

pasa a ser parte de la seguridad activa del vehículo, ya que este mejor la visibilidad

en condiciones climatológicas adversas.

En 1769 se construyó el primer vehículo propulsado a vapor y como era de

suponerse en este primer vehículo le adaptaron un sistema de iluminación basado en

lámparas de gas acetileno, la cual permitía al conducto ver y ser visto por los demás.

Los sistemas de alumbrado del automóvil se han vuelto muy eficientes, evolucionan

a la par junto con los vehículos a motor.

Para aprovechar al máximo la intensidad luminosa del alumbrado sin deslumbrar al

conducto que viene en sentido contrario, se utiliza un sistema llamado “haz

asimétrico”, que permite iluminar mejor la parte derecha de la calzada.

Con las lámparas halógenas debe tenerse la precaución de no tocar con los dedos el

cristal de cuarzo pues la grasilla depositada con el tacto produce alteraciones

permanentes en el cristal con las altas temperaturas, por eso cuando se haya tocado el

cristal debe limpiarse con alcohol antes de poner en servicio la lámpara.

Las tendencias de futuro en cuanto a iluminación de los automóviles se frecuenta la

utilización de circuito electrónicos que ofrecen ventajas como menor consumo, mejor

distribución de la luz, modulación de la intensidad de potencia lumínica y la

posibilidad de crear zonas de alumbrado.

201

Los sensores de tipo resistivo se descartan debido a las condiciones de trabajo el cual

debería se diseñado específicamente para este sistema y en caso de instalarlo estarían

funcionando todo el tiempo cosa que provocaría un rápido desgaste.

El sensor ultrasónico de posición es muy caro, difícil de encontrar en el mercado de

acuerdo a nuestros requerimientos y para la aplicación demandada se requiere algo

sencillo y de bajo costo.

El encoder es un sensor de bajo costo, fácil de encontrar en el mercado de acuerdo a

las necesidades requeridas, los golpes y vibraciones que se producen en el habitáculo

del vehículo son pequeñas con respecto a los que puede soportar el sensor.

El encoder tiene otras aplicaciones importantes en el vehículo como son las de censar

para el sistema de encendido óptico que reemplaza al encendido por platinos, el

sensor también puede servir como medidor de revoluciones en el motor, pero no es

muy comercial.

La parte exterior del fototransistor del encoder está hecha de un material llamado

epoxi, que es una resina que permite el ingreso de radiación hacia la base del

transistor.

El actuador deber ser un motor eléctrico por que el faro se moverá de forma angular,

per este movimiento debe ser progresivo, su reacción tendría que ser instantánea,

caso contrario provocaría un mal funcionamiento del sistema.

El motor de corriente continua con o sin escobillas no sirve para controlar posición

por lo tanto no cumple con las características de brindar un movimiento progresivo,

este tipo de motor solo sirve para controlar la dirección de movimiento.

El servo motor es una alternativa fiable por sus características, pero el inconveniente

surge en los costos, en el sensor de tipo resistivo y el circuito integrado que lo

controla se ve afectado por el ruido producido por los elementos electrónicos del

vehículo, los cuales pueden traer graves consecuencias en su funcionamiento.

El motor brushless es difícil de conseguir, necesita de una centralita electrónica que

lo gobierna la cual es complicada de manejar.

202

El motor paso a paso lo consideramos para nuestra aplicación como la mejor opción,

sus características de torque y ángulo de fase son adecuadas para el funcionamiento,

además los sensores y el circuito que lo controla es de fácil diseño y construcción,

aparte tiene un acabado anticorrosivo para soportar la humedad de su ambiente.

El torque de funcionamiento del motor paso a paso fue escogido según fuera

necesario para mover la transmisión, en este caso nos valemos de un dinamómetro

para realizar la medición.

Las principales aplicaciones del motor paso a paso están en la robótica, tecnología

aeroespacial, control de discos duros, flexibles, unidades de CD ROM o de DVD e

impresoras, en sistemas informáticos, manipulación y posicionamiento de

herramientas y piezas en general.

Antes de empezar a diseñar un circuito se debe realizar el diagrama de bloques para

entender mejor el funcionamiento del sistema, en este diagrama de bloques se indica

la dirección del procesamiento de datos.

El diseño atravesó varias etapas, en el trayecto se diseñaron circuito que tenían

problemas a los cuales se los llama circuito fallidos hasta finalmente diseñar el

adecuado.

Entre la seguridad que debe tener un circuito tenemos un fusible a la entrada de la

alimentación, un diodo rectificador en el borne positivo para cuidar el circuito en

caso de conectar mal la alimentación y por último un condensador que absorbe los

picos de voltaje producidos por el relé de activación.

La regulación del faro es ajustado según las especificaciones del fabricante; es

ajustado con el 1.0 % de inclinación para la luz baja y con 2% de inclinación para el

faro antiniebla.

Al mejorar la visibilidad, el conductor puede aumentar la velocidad en curvas,

permitiendo recorrer mas espacio en menos tiempo haciendo que el viaje sea más

placentero y seguro.

El mantenimiento preventivo de la parte mecánica y electrónica del sistema es quizá

el más importante debido a que el correcto funcionamiento del mismo garantizará

que todo el sistema de faros antiniebla activos cumpla con sus funciones óptimas.

203

El mantenimiento correctivo es aquel que se ocupa de la reparación una vez se ha

producido el fallo y el paro súbito del sistema, este mantenimiento se puede dar por

muchos factores ya sean mecánicos o electrónicos, y lo debe realizar el técnico

especializado en el sistema, este mantenimiento correctivo se lo realizará en el

sistema electrónico, el circuito de los faros antiniebla y en el sistema mecánico de los

faros.

Las pruebas de funcionalidad, son pruebas de campo realizadas en distintos tipos de

ambiente, en este caso las pruebas dieron resultados que obligaron a realizar

modificaciones en el sistema activo para contrastar con las normas de iluminación, el

cambio realizado fue de faro antiniebla a faro de carretera.

Lo único que el usuario del vehículo debe hacer en el mantenimiento del sistema es

revisar que las conexiones estén en buen estado caso contrario es decir si el sistema

falla, todas estas comprobaciones las debe realizar por el proveedor, de no hacerlo así

se pueden ocasionar daños más graves al sistema.

La comparación entre los sistemas de iluminación convencional y activo, sirve para

comprender que el sistema activo aportaría mucho al desarrollo electrónico del

vehículo y sobre todo a mejorar la conducción en condiciones geográficas y

climatológicas adversas, también este sistema activo es un avance en el proceso de

automatización el auto, aumenta en la seguridad activa del vehículo, evitando así los

accidentes de transito.

El diseño más adecuado para la transmisión es el de tornillo sin fin y piñón debido a

que como ya explicamos anteriormente el movimiento tiene una sola dirección es

decir que el movimiento que ingresa por el tornillo sin fin puede mover con facilidad

al piñón, pero muy difícilmente el movimiento que ingresa por el piñón puede mover

al tornillo sin fin con esto evitamos que el faro se mueva cuando el circuito

electrónico se apaga, pues también el motor se queda sin corriente provocando así

que el faro se mueva sin control.

La relación de transmisión del mecanismo de los faros es de 15 a 1, significa que por

cada 15 vueltas que se mueva el tornillo sin fin, la rueda dentada se moverá una

vuelta, con esta relación podemos conseguir aumentar el torque del motor para

facilitar el movimiento del faro.

204

El disco dentado activará los sensores cortando la luz entre sus elementos, por lo que

el diseño de este disco es de vital importancia para el desempeño del circuito,

consiguiendo con ello la magnitud de movimiento angular de los faros, pero a su vez

tiene que estar relacionado con el tamaño de los sensores junto con su disposición en

el vehículo, el espació en el habitáculo del vehículo y la relación que tiene el

mecanismo transmisión desde el motor paso a paso hasta el faro.

El principal objetivo de diseño de la rueda es conseguir mover el faro en un ángulo

de 20º como máximo tanto hacia la derecha como hacia la izquierda, aunque sería

conveniente reducir el ángulo de giro hacia la izquierda para no deslumbrar al

conductor del vehículo que circula en dirección contraria.

Originalmente el vehículo no costa con faros antiniebla, por lo tanto tampoco tiene el

circuito que los comanda, debido a esto es necesario instalar un circuito. El diseño

esta de acuerdo a la norma de cuencaire, este circuito permite encender los faros

antiniebla solo cuando previamente se halla encendido las luces de posición del

vehículo y no antes.

Para el montaje de las estructuras en el vehículo se tuvo muy en cuenta la simetría y

la norma técnica ecuatoriana para establecer las distancias de altura, distancia del

centro del vehículo hacia cada una de ellas y el grado de inclinación de las

estructuras.

La modificación del guardachoque fue mínima, sin embargo se demostró por qué no

afecta a la aerodinámica del vehículo, en conclusión el área frontal se mantuvo sin

cambios.

Los transistores de alta potencia del circuito tienden a calentarse, para asegurar el

buen funcionamiento del sistema se consideró colocar un disipador de calor en cada

transistor y un ventilador para todos haciendo que la temperatura de funcionamiento

sea aceptable.

Antes de imprimir el circuito se debe realizar el diseño de la plaqueta en el programa

EAGLE 5.9. este es un sencillo programa que te permite diseñar circuitos impresos y

205

una potente aplicación con la que puedes desarrollar circuitos impresos y realizar

esquemas electrónicos.

La cubierta del circuito debe tener características como las de ser lo suficientemente

grande para guardar en su interior toda la placa del circuito, también debe tener

orificios de ventilación para refrigerar a los transistores y en este caso se requiere que

sea de Aluminio para que transfiera el calor generado en su interior hasta el exterior

fácilmente.

Entre las características que debe cumplir el habitáculo donde va a ir colocado el

circuito tenemos que el espacio mínimo del lugar donde se ubicará el circuito es el

tamaño de la cubierta, (Ancho × Alto × Largo) 10cm × 10cm × 20cm, también el

habitáculo debe estar protegido de agentes externos como polvo, agua, líquidos del

motor, etc., y por último en el habitáculo debe haber circulación libre de aire para no

perjudicar al sistema de refrigeración del circuito.

La ubicación de los LED del circuito debe ser estratégica por lo que debe cumplir las

siguientes características de ser fácilmente visible para el conductor, su ubicación no

perjudicará la percepción de ninguno de los instrumentos del tablero, tales como el

odómetro, velocímetro, indicadores de la temperatura del refrigerante entre otros y

debe ser de fácil desmontaje para su mantenimiento.

Un inconveniente que surgió en el circuito de alumbrado, fue el que se haya mojado

el relé que alimenta el circuito cuando lavamos el vehículo, lo que causó la oxidación

de sus componentes y su mal funcionamiento.

Un inconveniente se produjo cuando enviamos a construir la placa impresa del

circuito, en donde se soldaron los reguladores de voltaje (LM317T) al revés, dando

desperfectos en el funcionamiento, hasta volverse obsoletos.

Un inconveniente se produjo por manipulación, al realizar la comprobación del

circuito con el multímetro, un descuido provoco un corto circuito que destruyó una

de las pistas, lo cual tuvimos que reponerla soldando un cable en ella.

El costo de documentos adquiridos y licencia de software utilizados es muy alto, este

valor solo se lo tomará en cuenta para obtener el costo total de la tesis mas no para

obtener el precio del circuito de venta al público.

206

El costo implementación del sistema eléctrico, mecánico y estética funcional es de

3163.44 dólares. Este valor representa todos los materiales utilizados en el sistema

de faros activo, pero este valor puede bajar en caso de comprar material en grandes

cantidades para una producción en serie.

Para ser mas exactos en el costo de la mano de obra, decidimos hacer el cálculo de

acuerdo a las horas que se necesitan para construir e implantar el sistema de faros

antiniebla activo en un vehículo, en donde cada hora de trabajo tendrá un costo de

$4.

Los gastos de diseño cuadriplicaron el costo de producción, esto es normal debido a

que no siempre el primer diseño es el definitivo, el sistema aunque funcione se le

impone pruebas de campo severas como agua, polvo, etc., para luego considerarlo

como efectivo y listo.

En el transcurso de este proyecto de tesis se han ido cumpliendo todos los objetivos

planteados excepto uno, el que se refiere al análisis económico y de factibilidad

debido a que este estudio es muy extenso y nuestro proyecto de tesis no está

enfocado en ello, sin embargo se decidió realizar un estudio financiero en donde se

detalla los gastos efectuados en la compra de documentos, licencias de software,

materiales, mano de obra y utilidades, análisis suficiente para determinar el precio de

venta a público del sistema de faros activo y dar a conocer a los lectores sobre el

costo que implica implementar un nuevo sistema electrónico al vehículo.

207

BIBLIOGRAFÍA

DOCUMENTOS:

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de circuitos y dispositivos

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Historia del Automóvil. 2007.

ANEXOS

ANEXO 3

PROPIEDADES TÍPICAS DE LOS MATERIALES USADOS EN INGENIERÍA

(UNIDADES SI)

ANEXO 4

Marcado de pernos de acero grado SAE

Número de grado SAE

Rango del diámetro [inch]

Carga de prueba [kpsi]

Esfuerzo de ruptura

[kpsi] Material

Marcado de la cabeza

1 2 ¼ - 1½ ¼ - ¾

7/8 - 1½ 55 33 74 60 Acero de bajo carbono ó

acero al carbono

5 ¼ - 1 11/8 - 1½ 85 74 120 105 Acero al carbono,

Templado y Revenido

5.2 ¼ - 1 85 120

Acero de bajo carbono martensítico, Templado

y Revenido

7 ¼ - 1½ 105 133 Acero al carbono aleado, Templado y Revenido

8 ¼ - 1½ 120 150 Acero al carbono aleado, Templado y Revenido

8.2 ¼ - 1 120 150 Acero de bajo carbono martensítico, Templado

y Revenido

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