Determinación de las exigencias geométricas funcionales en el lenguaje ISO-GPS de un anteproyecto de bomba de agua de un motor de automoción

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERIAS INDUSTRIALES Grado en Ingeniería Mecánica Determinación de las exigencias geométricas funcionales en el lenguaje ISO-GPS de un anteproyecto de bomba de agua de un motor de automoción Autor: García García, Marcos Tutores: Valin Ortega, Antonio Luis Departamento de Expresión Gráfica en la Ingeniería San José Pérez, Eduardo Líder Ingeniería Diseño Producto MVS ICE Renault Technology Spain Valladolid, julio de 2022 AGRADECIMIENTOS: Me gustaría agradecer a mis padres y a mi hermano, por apoyarme y tener confianza en mí, en especial a mi madre por ayudarme siempre a no rendirme. También quiero dar las gracias a mis abuelos y tíos, especialmente a mi tío Ramón por aconsejarme siempre. Al profesor D. Antonio Luis Valín Ortega, por darme la oportunidad de realizar este trabajo de fin de grado. Quiero agradecer su gran predisposición y apoyo constante, su disponibilidad y orientación para desarrollar satisfactoriamente el proyecto. Ha sido muy gratificante poder trabajar junto a él. A D. Eduardo San José Pérez, por la oportunidad que nos ha dado de trabajar junto a él. También quiero agradecer su gran predisposición y el tiempo que nos ha cedido para tutorizar este trabajo. Así mismo, quiero darle las gracias por su orientación técnica y metodológica que ha resultado vital para desarrollar este trabajo. A Renault S.A, por la oportunidad que ha supuesto colaborar con una empresa de este calibre en el sector del automóvil. Quiero agradecer las facilidades que han proporcionado y la importancia con la que han tratado este proyecto, facilitando un tutor como D. Eduardo San José Pérez para orientarlo y supervisarlo. Por último, agradecer a la Universidad de Valladolid el acceso a la licencia software de diseño mecánico Catia V5. RESUMEN: Este trabajo engloba el estudio de los métodos utilizados en la concepción de productos industriales, concretamente en el análisis funcional técnico. Su aplicación facilita la expresión del lenguaje de especificación geométrica en el área de Expresión Gráfica en la Ingeniería. Para implementar el análisis funcional se utiliza un modelo 3D en formato Catia V5 de una bomba de agua de un motor de automoción, del que se determina, de forma global mediante el análisis funcional técnico, el cuaderno de cargas funcional técnico. Este documento se desarrolla en base al dossier de anteproyecto; en el que se justifica técnicamente la elección del sistema mecánico, el dossier de exigencias funcionales; que versa sobre la definición funcional de cada una de las superficies de cada elemento que compone el sistema, el dossier de cadena de cotas ISO y los planos funcionales del producto. PALABRAS CLAVE: Análisis funcional técnico, bomba de agua, cuaderno de cargas funcional técnico, diagrama pieuvre, interfaz. ABSTRACT: This work encopasses the study of the methods used in conception of industrial products, specifically in technical functional analysis. Its application facilitates the expression of geometric specification language in the area of Engineering Graphics. In order to implement the functional analysis, 3D model in Catia V5 format of water pump is used, from which the technical functional analysis determines, in a global way, the technical functional charges book. This document is developed on the basis of the preliminary project dossier, which technically justifies the choice of the mechanical system, the functional requirements dossier, which deals with the functional definition of each of the surfaces of each of the elements that make up the system, the ISO dimension chain dossier and the functional drawings of the product. KEYWORDS: Technical functional analysis, water pump, technical functional charges book, pieuvre diagram, interface. Índice General 1.INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ................................................................................................... 1 1.1. Introducción ...................................................................................................................... 1 1.2. Objetivos:........................................................................................................................... 1 1.3. Contenido del trabajo: ...................................................................................................... 2 2.CONTEXTUALIZACIÓN.CONCEPCIÓN Y DISEÑO DEL PRODUCTO INDUSTRIAL ...................... 5 2.1. Contexto: ........................................................................................................................... 5 2.2. Etapas de concepción del producto: ............................................................................... 6 3. BOMBA DE AGUA EN AUTOMOCIÓN: ....................................................................................... 9 3.1. Definición y tipología: ....................................................................................................... 9 3.2. Modelo sujeto a análisis. Bomba de Agua Rover V8-Buick-215: ................................ 10 3.3. Elementos de una bomba de agua: .............................................................................. 10 3.4. Justificación de elección del modelo:............................................................................ 12 3.5. Modificaciones efectuadas sobre el modelo de anteproyecto: ................................... 12 4.ANÁLISIS FUNCIONAL: ............................................................................................................ 17 4.1. Clasificación de las funciones: ...................................................................................... 17 4.2. Restricciones: ................................................................................................................. 17 4.3. Métodos para identificar las funciones de un producto: ............................................. 18 4.4. Justificación de la del análisis: ...................................................................................... 19 4.5. Metodología en el análisis funcional técnico:............................................................... 20 4.5.1. Metodología común en los procesos industriales: ................................................ 20 4.5.2. Metodología implementada .................................................................................... 21 4.6. Documentos técnicos en el análisis funcional ............................................................. 24 4.6.1. Cuaderno de cargas funcional técnico .................................................................. 24 4.6.2. Diagrama Pieuvre .................................................................................................... 25 5.CUADERNO DE CARGAS FUNCIONAL TÉCNICO BOMBA DE AGUA ROVER V8-BUICK-215: . 28 6.LENGUAJE DE ESPECIFICACIÓN GEOMÉTRICA: .................................................................... 49 6.1.1. Principios de las especificaciones GPS ................................................................. 49 6.1.2. Referencias en las especificaciones GPS. “Mise en place”. ................................ 49 6.2. Dossier de cadenas de cotas: ........................................................................................ 50 6.2.1. Posición polea: ........................................................................................................ 50 6.2.2. Tornillos: ................................................................................................................... 52 6.2.3. Posición del rodete: ................................................................................................. 54 6.3. Transformación del análisis funcional al lenguaje ISO-GPS: ....................................... 55 6.3.1. Posicionamiento del cuerpo de la bomba sobre el bloque motor: ...................... 56 6.3.2. Posicionamiento del rodete sobre el cuerpo de la bomba: .................................. 59 3 En el capítulo cinco se desarrolla el cuaderno de cargas funcional técnico, resultado del análisis funcional de la bomba de agua de automoción. Está basado en la metodología estudiada y recoge los resultados de la etapa de estudio. El sexto capítulo está destinado a exponer la traslación de las especificaciones geométricas al lenguaje ISO-GPS. También recoge el estudio y definición del sistema de referencias y del “mise en place”. Para finalizar, se incluye el dossier de cadenas de cotas. En séptimo capítulo se exponen las conclusiones después del estudio y aprendizaje de métodos en la concepción industrial. También se propone una serie de trabajos futuros para desarrollar a partir de este proyecto. 4 5 2.CONTEXTUALIZACIÓN.CONCEPCIÓN Y DISEÑO DEL PRODUCTO INDUSTRIAL 2.1. Contexto: La ingeniería dota a la industria de numerosos procesos que le permiten cumplir sus objetivos de productividad. Una de las etapas más importantes desde el punto de vista industrial es la de concepción y diseño del producto. La concepción y diseño del producto es un proceso que, basado en una metodología técnica y creativa, transforma las exigencias iniciales de un cliente en elementos físicos, procesos o servicios. El principal objetivo de la concepción es la generación de un archivo de definición completo e inequívoco a partir de la necesidad expresada por el cliente. Se trata de un área de estudio muy amplia pues depende del campo de aplicación, tipo de producto o proyecto, entre otros. Los técnicos que llevan a cabo esta disciplina deben aunar conocimientos técnicos y habilidades creativas en cada etapa del proceso, en el que es primordial el control de factores como la experiencia de los profesionales y el tiempo consumido. El proceso se basa en el desarrollo de una metodología clara y eficaz con una estructura bien definida y con objetivos bien marcados. Además, tiene en cuenta tres premisas fundamentales: implantación del proceso para llegar a un objetivo final bien delimitado, permitir desarrollar la creatividad por parte del técnico; es decir, no debe ser muy rígido, debe servir para enfocar y guiar al profesional. El entorno es un factor de vital importancia en la concepción del producto pues delimita los recursos con los que se cuenta para desarrollar cada etapa. Se tiene en cuenta la jerarquía entre profesionales dentro del proyecto, las herramientas técnicas de las que se dispone para enfrentar la actividad de diseño, el cliente y las exigencias de este, punto de inicio de la concepción. También recoge las obligaciones del profesional, para redactar el documento técnico pertinente. Generalmente, se suelen utilizar diagramas (Figura 1) para precisar los recursos y obligaciones. Por lo común, se representan como flujos entrantes los recursos y como salientes las obligaciones. 6 Figura 1. Diagrama del entorno para el diseñador en la concepción del producto [4] 2.2. Etapas de concepción del producto: a.-Análisis de la necesidad del cliente: el técnico recoge las necesidades que transmite el cliente, en muchos casos imprecisas y con poca carga técnica. Es preciso establecer requerimientos funcionales, es decir, una definición del producto en términos de necesidad que complemente los datos aportados por el cliente. Hay que evitar especificaciones en términos de fabricación del producto u otras fórmulas que no son naturales de esta etapa. Una vez definidos los requerimientos funcionales se ponen en común y son completados con el cliente. El fundamento principal de esta fase es identificar cómo va a funcionar el elemento mecánico y no cómo diseñar el producto. Por ello, en esta etapa es vital poner en práctica el método de análisis funcional. Producto de este análisis, se consigue determinar las funciones de servicio del elemento, que profundiza en la definición de las funciones principales y restricciones que se han determinado. Para reflejar este procedimiento se utiliza el diagrama Pieuvre (Figura 2). 7 Figura 2.Diagrama Pieuvre de un sistema de elevalunas eléctrico [3] El punto más importante de esta etapa es la redacción del cuaderno de cargas funcional técnico en el que aparecen presentes todos los requerimientos, resultado del análisis funcional y de necesidades del producto. Este documento se facilita al cliente que da su aprobación mediante su rúbrica. b.-Estudio viabilidad: se centra en la búsqueda de soluciones una vez planteados los requerimientos funcionales mediante los documentos producto del análisis de necesidades del cliente. Se trata de un proceso complejo del que extraer las soluciones teóricas, descartando aquellas que son particularmente obvias. El ingeniero de concepción ha de encontrar el máximo número de soluciones en un plazo de tiempo limitado para satisfacer la necesidad del cliente y determinar la solución óptima. El estudio de viabilidad consta de tres etapas. Se definen las funciones técnicas de diseño extraídas. Posteriormente, se profundiza sobre las funciones definidas anteriormente. Es la operación más importante y difícil, en ella se debe priorizar en función de la complejidad de las funciones. Tiene gran influencia la experiencia del técnico, pues es una etapa en la que, frecuentemente, se extrapolan soluciones de casos que guardan alguna relación con el que se está trabajando. Por último, es preciso definir un orden cronológico, en el que podamos colocar las tareas de acuerdo con su duración y la fecha de entrega de los documentos generados en cada una de ellas. En el ámbito industrial se suele usar el retroplaning (Figura 3), un diagrama temporal en el que se representan las tareas partiendo de la fecha de entrega del proyecto y posicionándolas de acuerdo con su duración en forma de barras, las cuales, según su naturaleza y complejidad, pueden superponerse. 8 Figura 3. Retroplaning tipo de un proceso industrial [4] Durante el estudio de viabilidad es común experimentar ciertos problemas debido a su complejidad. La incompatibilidad entre proyectos hace que sean difíciles de relacionar la dependencia del estado de ánimo de los técnicos y su influencia directa en la destreza con la que se realiza el estudio. El optar por un enfoque sistemático en contraposición a uno analítico o la limitación de tiempo son algunas de las dificultades más comunes. c.-Concreción del Anteproyecto: etapa destinada a la elección de la solución idónea entre las definidas en el estudio de viabilidad. En ella se generan los documentos técnicos que materializan el estudio realizado en etapas anteriores, referentes a la solución seleccionada. El dibujo de diseño preliminar, el estudio de riesgos técnicos o el dossier previo de montaje son algunos ejemplos. 9 3. BOMBA DE AGUA EN AUTOMOCIÓN: 3.1. Definición y tipología: La bomba de agua es un elemento integrado en el sistema de refrigeración de los automóviles cuya misión principal es impulsar el líquido refrigerante a través del sistema de refrigeración para disminuir la temperatura del motor, en concreto del bloque de cilindros y la culata. Se encuentra unida al bloque de cilindros mediante el cuerpo de la bomba y al sistema de distribución mediante la conexión entre la polea y la correa de distribución, con conexión con el cigüeñal. En el cuerpo de la bomba, el impulsor permite la entrada de agua proveniente del radiador. (Figura 4) Figura 4. Representación esquemática del circuito de refrigeración de un automóvil Actualmente, en la industria del automóvil se implantan diferentes bombas de agua de acuerdo con el tipo de vehículo y sus necesidades térmicas. Centrando el estudio en los turismos podemos distinguir entre las siguientes: a.-Bombas de agua mecánicas: cuentan con el mecanismo más sencillo ya que el caudal de líquido refrigerante depende de las revoluciones del motor. Entre sus particularidades destacan, el lugar de instalación, suelen conectarse directamente al bloque de cilindros, aunque se pueden instalar en la carcasa externa del motor. Además, la transmisión del movimiento se realiza mediante correas trapezoidales o la correa de la distribución. b.-Bombas de agua variables: se instalan en motores que requieren de una alta eficiencia del motor y un control minucioso del consumo de combustible. Destacan por su capacidad para regular el caudal de líquido refrigerante en función de la demanda del motor. Su aplicación está centrada en el mundo de la competición. c.-Bombas de agua eléctricas: su uso está cada vez más extendido en los automóviles modernos. Su principal característica es el control eléctrico, el cual 10 motiva que el caudal suministrado sea independiente del número de revoluciones. Todo ello se traduce en disminución de la demanda de potencia y de las pérdidas por fricción y un mayor control del consumo y las emisiones. d.-Bombas de agua auxiliares: tienen como objetivo complementar la labor de la bomba de agua principal, además, puede haber varias bombas auxiliares en un automóvil dependiendo de la complejidad de su sistema de refrigeración. Su conexión con el sistema de refrigeración se realiza de forma independiente. En la actualidad su uso se ha implementado a los automóviles eléctricos e híbridos que precisan de un sistema de refrigeración más amplio, ya que las baterías alcanzan altas cargas térmicas que es necesario disminuir. 3.2. Modelo sujeto a análisis. Bomba de Agua Rover V8-Buick-215: El modelo seleccionado es una bomba de agua diseñada para un motor Rover V8Buick-215 (Figura 5), cuyo primer diseño data de los años sesenta en Reino Unido. La bomba corresponde a la categoría de las bombas mecánicas. Concretamente este modelo va instalado directamente en el bloque de cilindros. Entre sus particularidades está el montaje de polea, ya que el sistema de distribución está integrado por correa trapezoidal. El líquido refrigerante empleado está compuesto en su totalidad por agua, lo que puede dar una idea de la antigüedad del elemento estudiado. La estructura de la bomba de agua contiene piezas como el cuerpo de la bomba, eje, rodete, polea. En este caso particular, el requisito de montaje de polea conlleva la introducción de otro elemento, el soporte de polea. Este va unido a la polea y encastrado al eje y posibilita la transmisión del movimiento. Figura 5. Modelo en Catia V5 de bomba de agua Rover V8-Buick-215 3.3. Elementos de una bomba de agua: La estructura de una bomba de agua y los elementos que la componen puede variar según el tipo de bomba. Este epígrafe se centra en las bombas de agua de uso más extendido: las bombas de agua mecánicas. (Figura 6) 11 Centrando el estudio en un prototipo genérico de bomba de agua mecánica, esta cuenta con: a.-Cuerpo de la bomba: es la parte principal por geometría y funcionalidades. A través de esta pieza circula el líquido refrigerante. b.-Polea o rueda dentada: encargada de transmitir el movimiento generado por el sistema de distribución al eje de la bomba. La elección entre polea o rueda dentada viene determinada por la geometría y dimensiones de la correa. Actualmente se monta rueda dentada, ya que la correa de distribución es también dentada y se busca aumentar la superficie de contacto. c.-Rodete: elemento destinado a impulsar y direccionar el flujo de líquido refrigerante que circula a través del cuerpo de la bomba d.-Eje: su misión principal es transmitir el movimiento de la polea al rodete. Implícitamente a los elementos nombrados anteriormente, la bomba de agua cuenta generalmente con juntas tóricas, juntas de estanqueidad, cierres o sellos mecánicos, rodamientos. Además, están presentes elementos destinados a la montabilidad como tornillos, pernos, pasadores, etc.… Por último, estas bombas trasiegan un caudal de líquido refrigerante que puede ser de diversa naturaleza en función del fabricante o la localización. Según los estándares se emplea un compuesto con un 45-75% de agua desionizada, 25-50% de etilenglicol y un 3-8% de aditivos de diversa índole. Actualmente, se estima que el rango térmico implantado que debe soportar un líquido refrigerante es [-37ºC – 108ºC] para ello es necesaria una proporción en el compuesto de, aproximadamente un 50% de agua desionizada. Figura 6. Representación gráfica de los componentes de la bomba de agua de un automóvil 12 3.4. Justificación de elección del modelo: Uno de los objetivos planteados en la redacción de este documento es la aplicación de la metodología del análisis funcional técnico a un elemento real. La primera etapa en la realización de este trabajo ha sido la elección de un modelo de anteproyecto. Establecer un modelo que represente un elemento real y ser familiar a un proceso de concepción en una compañía ingenieril, son algunas de las principales premisas durante la elección del modelo de anteproyecto. Estos, son aspectos fundamentales para obtener el máximo aprovechamiento de la colaboración con Renault. Otro de los requisitos debe ser la elección de un modelo sencillo, que permita poner en práctica los conceptos asimilados en el primer análisis funcional que se realiza de una pieza real. 3.5. Modificaciones efectuadas sobre el modelo de anteproyecto: En el desarrollo de epígrafes anteriores se ha expuesto el proceso de búsqueda de un modelo de anteproyecto al que aplicar la metodología estudiada en este trabajo de fin de grado. El modelo cuenta con la singularidad de presentar algunos defectos o imperfecciones que evitan interferencias legales con el fabricante y Renault. Además de estas imperfecciones, se han detectado en el modelo inicial ciertas deficiencias funcionales y de montabilidad del conjunto. Por este motivo, es necesario adoptar una serie de modificaciones en el modelo durante el proceso de concepción del producto. (Figuras 7 y 8) En primer lugar, estudiando el modelo inicial, el eje de la bomba de agua tiene dos grados de libertad: rotación y desplazamiento axial. Es necesario eliminar este último, para que la bomba realice su función correctamente. El rodete cuenta con el mismo problema, tiene dos grados de libertad: rotación y desplazamiento axial, y es necesario restringir el desplazamiento axial. También la polea cuenta con grados de libertad referentes al desplazamiento axial y la rotación, y debemos mantener únicamente a la rotación. Hay que tener en cuenta que el eje está montado sobre el subconjunto polea, formado por la polea y el soporte de la polea. Para empezar, se enrasan las superficies laterales del soporte de la polea y del eje mediante el movimiento de este último. Esta modificación se efectúa mediante una operación de calado del eje. También, se genera un resalte en el taladro central del soporte de la polea y se modifica la geometría inicial del eje para asegurar el contacto entre superficies frontales. Para eliminar el desplazamiento axial del eje se encastra el rodamiento en el cuerpo de la bomba y el eje en el rodamiento. De este proceso resultan dos interacciones mediante apriete: rodamiento en el cuerpo de la bomba y eje en el rodamiento. Por otra parte, para restringir el desplazamiento axial del rodete se ha generado una unión roscada entre rodete y eje. Asimismo, se ha originado un collar en el eje 19 Para implantar este método generalmente se emplea el árbol funcional como punto de partida, fomentando la creatividad y creando una estructura física. Figura 11.Diagrama FAST de una bomba de agua de automóvil elaborado por el alumno 4.4. Justificación de la del análisis: Una vez presentado el fundamento teórico del análisis funcional técnico y el modelo a analizar, se debe justificar el análisis realizado. El primer aspecto considerado, es el enfoque global sobre el que se basa el análisis del modelo. Es muy diferente el estudio que realiza un fabricante de cada uno de los elementos que componen la bomba del agua que el realizado por la compañía encargada de la distribución y logística relacionada con el producto. Este documento se basa en el estudio que debe realizar la compañía que va a ensamblar la bomba de agua al bloque motor del automóvil. Renault se encarga del montaje de bombas de agua, por tanto, debe definir la funcionalidad y posición con gran precisión a sus proveedores, aunque no define la solución técnica concreta. Es importante centrar el análisis técnico en los aspectos de la bomba de agua más relevantes e influyentes a la hora de realizar el ensamblaje. Por consiguiente, el análisis se orienta hacia la funcionalidad de los elementos y el posicionamiento de estos en su entorno. Resulta contraproducente profundizar en el estudio de elementos que, aunque son parte del conjunto, no aportan información útil para la actividad que se va a realizar. Por ejemplo, la posición de los rodamientos desde el punto de vista del ensamblador es irrelevante, pues su propósito es recibir la bomba de agua en perfectas condiciones para acoplarla al bloque motor y al resto de sistemas del automóvil. 20 Por otra parte, la bomba de agua se integra en una serie de sistemas interconectados, por tanto, su estudio como un sistema independiente es erróneo. Es preciso definir con gran exactitud las funciones del elemento para delimitar su integración en el entorno. En el caso de estudio, la bomba de agua forma parte del circuito de refrigeración, pero también está conectada al sistema de distribución y al bloque motor. Continuando la observación del entorno, la bomba de agua ocupa un lugar poco accesible con un espacio reducido en las inmediaciones del motor. Además, en su periferia, existen multitud de sistemas que deben seguir sus pautas de funcionamiento. En este aspecto se requiere un análisis profundo de la posición de cada uno de los elementos relevantes funcionalmente de la bomba de agua para evitar interferencias con cualquier elemento del entorno. Todo ello se consigue mediante el análisis funcional y posterior determinación de las exigencias y requisitos funcionales en un lenguaje de representación. Para finalizar, este trabajo está basado en técnicas de análisis y estudio en la concepción y diseño del producto en el ámbito industrial, por ende, al final del proceso se obtendrán grandes producciones de piezas, lo que se traduce en un gran desembolso económico y en gran cantidad de tiempo empleado. Es necesario asegurar la calidad del producto, siguiendo unos estándares de precisión durante la fabricación. Una vez expuestas los aspectos que hay que estudiar acerca de la bomba de agua y las razones del estudio concluimos que el análisis funcional técnico es el método que mejor se adapta en términos de exactitud y tiempo. 4.5. Metodología en el análisis funcional técnico: 4.5.1. Metodología común en los procesos industriales: El procedimiento se inicia discutiendo con el cliente las necesidades que ha de satisfacer el producto. Se trata de un paso necesario y de dificultad variable, dependiendo del conocimiento técnico del cliente y la complejidad de sus demandas. Por lo general, es una etapa caracterizada por el bajo contenido técnico y que requiere de un trabajo autónomo por parte del técnico. Posteriormente, es necesario realizar un estudio en el que se definen el resto de las funciones que debe satisfacer el producto de manera más precisa y técnica, teniendo en cuenta el entorno que rodea el producto. Además, es preciso contrastarlas con el cliente para poder proseguir con el estudio. Una vez clasificadas todas las necesidades que debe satisfacer el producto que hay que concebir, se acude a diversos procedimientos que permiten plasmar esas necesidades de forma jerárquica o esquemática. En este sentido, se emplean diferentes métodos como tablas, matrices o diagramas. 21 En el ámbito de la industria del automóvil está muy extendido el uso de diagramas Pieuvre para recopilar todas las funciones que debe cumplir el producto a diseñar y relacionarlas entre sí. En este punto se ha de tener un amplio conocimiento de todas las funcionalidades del producto. Muchas industrias utilizan el fundamento teórico del diagrama Pieuvre adaptándolo a sus criterios de compañía o simplemente al departamento al que pertenece el proyecto que se está llevando a cabo. Tras elaborar el diagrama que recoge todas las necesidades hay que organizar las funciones ateniéndose a los criterios explicados anteriormente, de esa manera se obtiene una clasificación jerárquica de las funciones. En esta etapa puede realizarse colocando las funciones en cada categoría de una forma más simple, aunque aproximada, ya que aporta pocos datos más allá de las propias funciones. Un recurso muy empleado en este punto es la creación de tablas en las que, además de jerarquizar las funciones se limitan y cuantifican, asignándoles una magnitud, escala y criterio. Se trata de un procedimiento de gran utilidad, pues es un punto de partida en la introducción de rangos de datos técnicos, a falta de los respectivos cálculos y ensayos en la etapa de diseño. Por último, es necesario generar los documentos técnicos que reflejen la labor del análisis funcional realizado. En este sentido, el cuaderno de cargas funcional técnico es el documento técnico de referencia en esta etapa, en el que hay que reflejar todo el trabajo realizado anteriormente y que debe ser firmado por el cliente para expresar su conformidad. 4.5.2. Metodología implementada Para realizar este trabajo se ha contado con varios datos de partida para afrontar un proceso, ya de por sí complicado para técnicos experimentados. Se pueden emplear varios años en realizar un análisis funcional técnico preciso y riguroso de un producto. Por esta razón se parte de un modelo de anteproyecto en CAD de la bomba de agua, lo cual supone una particularidad en el proceso de análisis funcional técnico, concretamente en su metodología y estructura. Contar con el producto acabado supone una reducción de tiempo empleado en algunas etapas. Para comenzar, hay que realizar un análisis detallado de las necesidades que han dado lugar al diseño de la bomba de agua. La necesidad principal es la refrigeración del bloque de cilindros y la culata, es decir, el motor precisa de un elemento que ayude a disminuir su temperatura. Después, se extraen el resto de las necesidades: impulsar el flujo de líquido refrigerante presente en el circuito de refrigeración o transformar el movimiento que realiza el sistema de distribución por mediación de la correa para la rotación del rodete. Posteriormente, hay que iniciar una etapa de estudio dedicada a identificar los distintos elementos por los que está formada la bomba de agua. Es conveniente centrarse en la presencia de conjuntos y subconjuntos que, ensamblados, forman 22 el producto final. Para identificarlos, es muy útil acudir al modelo en Catia V5 y generar croquis o dibujos de conjunto en los que comprobar la jerarquía de cada elemento y poder realizar anotaciones como marcas o contabilizar elementos mediante listas de piezas. Una vez realizada la identificación de las piezas se define de manera pormenorizada y precisa la función que cumple cada una de ellas, teniendo presente que el funcionamiento de cada elemento va integrado dentro de un sistema global, en este caso la bomba de agua. Como resultado de este estudio, podemos extraer, por ejemplo, que el cuerpo de la bomba es el elemento principal de la bomba de agua. A través del cuerpo de la bomba circula el flujo de líquido refrigerante y en su interior se alojan componentes como el rodete, el eje o elementos como el cierre mecánico, entre otros. A continuación, se efectúa un análisis funcional de los elementos enfocado a diversos aspectos como: puntos de contacto entre superficies, uniones a realizar, estanqueidades, superficies de circulación de fluidos, superficies o puntos sometidos a solicitaciones, etc... Se trata de un análisis más técnico y preciso gracias a los conocimientos adquiridos en etapas anteriores. La bomba de agua va montada directamente sobre el bloque de cilindros, como consecuencia, una de las superficies del cuerpo de la bomba debe entrar en contacto con la superficie del bloque de cilindros. En este punto, se inicia el análisis funcional y exhaustivo de cada superficie presente en la geometría de cada pieza. Este es el proceso más importante del análisis, pues ayuda a complementar y verificar la información extraída anteriormente. Se trata de una etapa que únicamente se tiene en cuenta en la metodología académica. En vez de definir las funciones y diseñar el producto a partir de estas, se toma como dato el producto (modelo en CAD de la bomba de agua) y se extraen las funciones. Es una metodología que resulta muy útil ya que permite el ensayo y la verificación del análisis funcional técnico. La dinámica que se ha seguido en este periodo es la creación de una tabla para cada elemento en la que se responde el “¿Por qué?” del diseño de cada superficie Se trata de cuestionar todo el diseño de la geometría para extraer información funcional y datos técnicos, en menor medida. Esta información se ha conseguido gracias al asesoramiento y validación de las hipótesis por parte de Renault. Por ejemplo, en el caso del cuerpo de la bomba, se estudia el diseño de las superficies cilíndricas alrededor de los taladros realizados para introducir los tornillos de fijación al bloque motor. Se formula la pregunta: (Figura 12). “¿Por qué la cabeza de tornillo entra en contacto con la superficie frontal de dichos cilindros a diferentes alturas respecto de la superficie frontal posterior del cuerpo de la bomba?” 23 “La altura, principalmente, es función del tornillo seleccionado (longitud del tornillo) y del espesor de las piezas a unir. Asegura la distancia suficiente de taladro roscado que debe practicarse en la superficie del bloque de cilindros para permitir la entrada del vástago. También, es debido a las necesidades de estanqueidad que tiene el cuerpo de la bomba. Para ello, hay que ejercer una presión adecuada que viene determinada por el cono de presión, siendo los tornillos que tienen la cabeza a una distancia menor entre el apoyo y la superficie del cuerpo de la bomba los que dan lugar a un ángulo de presión que tiende a cerrarse (se debe ejercer más presión en esa zona). Los tornillos más largos están ideados para que el ángulo de presión se abra (ejerciendo una menor presión en esa zona)” Figura 12. Modelo en Catia V5 de cuerpo de bomba de agua Rover V8-Buick-215 Por último, se implementa un análisis del montaje entre elementos con especial detalle en las interfaces existentes entre ellos. Esta etapa permite, a partir de las funciones delimitadas anteriormente, definir la montabilidad, el orden de montaje, los elementos necesarios para ejecutar la unión, el posicionamiento requerido entre las piezas antes de unir, etc.… Continuando con el caso del cuerpo de la bomba, el primer paso a realizar en el montaje es la unión del cuerpo de la bomba con el bloque de cilindros. Respecto a la ejecución de la unión: se posicionan ambas superficies frontales hasta entrar en contacto, después se centra el elemento mediante el uso de pasadores y, en último lugar, se ejecutan las uniones roscadas de manera no consecutiva y con el par de apriete estipulado para asegurar la estanqueidad. Toda la metodología mostrada en este epígrafe aparece incluida en los documentos técnicos generados con motivo de este trabajo de fin de grado, en concreto, en el cuaderno de cargas y en los respectivos métodos de representación funcional esquematizada que en él se incluyen, como los diagramas Pieuvre. 24 4.6. Documentos técnicos en el análisis funcional 4.6.1. Cuaderno de cargas funcional técnico Es el documento técnico más representativo de la etapa de concepción del producto industrial, su misión principal es expresar las necesidades en términos de funciones y limitaciones. Constituye una interfaz entre el solicitante (cliente) y el proyectista encargado de diseñar el producto. Además, debe servir para dar respuesta a todos los requerimientos planteados en el pliego de condiciones técnico. El cuaderno de cargas debe centrarse en la descomposición del producto en funciones y limitaciones, utilizando como herramienta principal el análisis funcional técnico. Igualmente, este documento debe ser permisible con la creatividad del diseñador. Entre las características principales del cuaderno de cargas destacan: a-. Innovación: el desarrollo del documento se centra en la funcionalidad de los elementos, sin proponer soluciones técnicas a lo planteado. b-. Competitividad: todo el contenido está controlado por el técnico. No habrá presencia de elementos redundantes, generando un documento preciso, riguroso y de cierto argumento técnico. c.- Flexibilidad: al igual que en la creación de otros documentos, el principio teórico sobre el que se sostiene es común, aunque los cuadernos de cargas elaborados por cada compañía tendrán estructura y matices diferentes en función del enfoque requerido. El fundamento del cuaderno de cargas funcional técnico emplea en varios de sus epígrafes el uso de tablas, matrices o métodos esquemáticos para el desarrollo del contenido. Las tablas se emplean para ordenar y estudiar las características funcionales del producto. Simplemente, basta con definir las características de un elemento en una columna. Otra se utiliza para cuantificar cada una de esas características definidas en la magnitud correspondiente. Por último, existe una columna destinada a imponer el nivel de negociabilidad con el cliente que tiene esa característica, es decir, cómo puede comprometer al diseño del producto si no se cumple. Utilizando una de las funciones definidas en el diagrama Pieuvre teórico de la bomba de agua (Tabla 2), se genera esta tabla de análisis funcional (Tabla 1): FC7: Asegurar la estanqueidad entre el motor y la bomba de agua para evitar fugas de líquido refrigerante. Características Nivel Flexibilidad Par de apriete tornillos 15 Nm F0 Espesor de junta de estanqueidad 2 mm F0 Aplicación fluido sellador Resistencia a ácidos, resistencia a solución alcalina, permanente. F2 Tabla 1. Análisis mediante tabla de las funciones de bomba de agua Rover V8-Buick-215 25 La estructura del documento es variable según la industria en la que se realice. Por norma general, una estructura genérica de un cuaderno de cargas funcional técnico incluye: índice, glosario, normativa, objetivos, características generales, planning, dossier de intercambio de ficheros, dossier de diagramas, especificaciones técnicas, dossier de posibles fallos (incluirá subapartados de aquellas áreas donde el producto sea más susceptible de fallar, algunos ejemplos comunes son: corrosión, ruidos, vibraciones, etc.…), limpieza y mantenimiento, test y validaciones, diagrama Pieuvre. 4.6.2. Diagrama Pieuvre En la representación de los resultados del análisis funcional existen varios recursos para clasificar y definir la información esquemáticamente, uno de los más empleados es el diagrama Pieuvre. Este método es empleado durante la etapa de estudio del entorno, incluido en el análisis funcional técnico del producto. Su misión principal es analizar las necesidades e identificar las funciones de servicio del producto, aunque también ayuda a establecer los límites del sistema. Se trata de un útil esquemático que facilita la investigación de las relaciones entre los elementos del sistema, concretamente debe hacer alusión a funciones y restricciones. Previamente al desarrollo del diagrama Pieuvre es necesaria una etapa de selección y síntesis de información, de manera que la representación de la información sea lo más significativa y clara posible, haciendo hincapié en la búsqueda de elementos en el entorno del producto estudiado. Su configuración está compuesta por una burbuja central “le bulle” que representa el producto estudiado, rodeada de burbujas que muestran los elementos significativos del entorno del producto. Las conexiones entre burbujas centroentorno se realizan mediante líneas en las que se especifica una marca, haciendo alusión a la categoría de función que representa (Figura 13). Para definir las funciones es útil formular la pregunta: “¿Qué observo?”, como apoyo a la identificación del entorno del producto estudiado. Esta búsqueda se debe centrar en objetos materiales y elementos físicos concretos. Hay que evitar prejuzgar una solución técnica durante la etapa de construcción del diagrama Pieuvre. Durante la representación del diagrama es posible hacer alusión a dos tipos de funciones (Tabla 2): a.-Funciones principales: son aquellas que justifican la necesidad de diseño del producto. Utilizando el caso estudiado referente a la bomba de agua, una de sus necesidades principales es disminuir la temperatura del motor, en definitiva, evitar su sobrecalentamiento. b.-Funciones restrictivas: destinadas a limitar la libertad del elemento dentro de su entorno de funcionamiento. En la bomba de agua, entre sus funciones restrictivas 26 se encuentra resistir las solicitaciones mecánicas a las que está sometida, como pueden ser: fricción en el eje, esfuerzos cortantes de los fluidos, torsión en algunos elementos, etc.… Figura 13. Diagrama Pieuvre teórico de bomba de agua Rover V8-Buick-215 Nº Función FP1 Impulsa el líquido refrigerante para evitar calentar el motor. FP2 Utiliza la energía cinética aportada por el sistema de distribución para operar (mover el rodete). FC3 Soporta solicitaciones mecánicas a las que está sometida (polea con el sistema de distribución, vibraciones, líquido refrigerante). FC4 Cumple durante su vida útil unas condiciones de funcionamiento (presión, temperatura, caudal, velocidad). FC5 Respeta y cumple la normativa en vigor referente a seguridad, contaminación y estanqueidad. FC6 Debe efectuarse correctamente la interacción bomba de aguasistema de distribución a través de la correa, además de sincronizarse el movimiento correapolea. FC7 Asegurar la estanqueidad entre el motor y la bomba de agua para evitar fugas de líquido refrigerante. Tabla 2. Tabla de necesidades que cumple la bomba de agua representadas en diagrama Pieuvre Posteriormente, es posible profundizar en el análisis de la función de servicio mediante la etapa de validación. Consiste en responder sobre tres cuestiones a plantear para cada función, tanto principal como restrictiva: “¿Qué objetivo tiene? ¿En base a qué razón se establece el objetivo? ¿Cómo se consigue el objetivo?” Analizando la función principal 2 de la bomba “FP2” “Utiliza la energía cinética aportada por el sistema de distribución para mover el rodete” se puede determinar (Tabla 3): 27 FC2 Objetivo: Rotación del rodete Razón: Impulsión del flujo de líquido refrigerante Solución: Introducción de polea integrada en el sistema Tabla 3. Categorías funcionales de bomba de agua Rover V8-Buick-215 para diagrama Pieuvre En la industria, la metodología de creación del diagrama Pieuvre sigue estos fundamentos teóricos y estructurales, aunque incluye matices propios de cada compañía o de cada departamento dentro de una empresa, muy similar a lo que ocurre con el cuaderno de cargas funcional técnico. Estas modificaciones aportan una perspectiva más cercana a la necesidad del proyecto, que ayuda a su resolución. En referencia al análisis de la bomba de agua, se ha creado un diagrama Pieuvre desde un enfoque más práctico. Trata de fijar unos criterios de interés para una compañía de ensamblaje de motores (Figura 14). Se ha establecido un código de colores que identifica a cada una de las categorías seleccionadas por su importancia en la definición de la funcionalidad en la bomba de agua (Tabla 4). Figura 14. Diagrama Pieuvre funcional de bomba de agua Rover V8-Buick-215 28 CONTACTO MECÁNICO 1.Contacto superficie frontal interior pulley con superficie frontal exterior pulley boss. 2.Contacto superficie frontal pump housing sobre superficie engine block para posicionamiento. 3.Contacto superficie frontal impeller sobre superficie frontal pump housing. 4.Contacto superficie timing belt sobre superficie lateral (acanaladura trapezoidal) pulley. FIJACIONES 1.Uniones atornilladas para obtención de subconjunto pulley-pulley boss. 2.Uniones atornilladas para ensamblar pump housing a engine block.También destinadas a asegurar la estanqueidad. 3.Pasadores para posicionar y restringir movimiento relativo de pump housing sobre engine block. ESTANQUEIDADES 1.Orificios y elementos de cierre mecánico presentes en el engine block. 2.Canales interiores y orificios para conexiones de admisión/expulsión.Orificio central para alojar el eje, cierres mecánicos y juntas tóricas. MOVIMIENTO RELATIVO (RESPECTO DE ENGINE BLOCK) 1.Movimiento rotativo de pulley boss generado por timing belt y transmitido mediante pulley. 2.Movimiento rotativo de impeller y transmitido mediante shaft. 3.Movimiento de traslación de timing belt que es transmitido a pulley. 4.Movimiento rotativo de pulley transmitido mediante timing belt. FLUIDOS ENTORNO 1.Líquido refrigerante circula a través de los canales del pump housing hacia el engine block con el objetivo de refrigerar. 2.Líquido refrigerante es impulsado mediante impeller para hacer circular el caudal a través de los canales del pump housing. Tabla 4. Categorías funcionales de bomba de agua Rover V8-Buick-215 para diagrama Pieuvre 5.CUADERNO DE CARGAS FUNCIONAL TÉCNICO BOMBA DE AGUA ROVER V8BUICK-215: 35 Superficie: Superficie lateral interior en el colector de admisión Característica referente a superficie Funcionalidad Imagen Modificación del diámetro Boquilla para facilitar la conexión con el conducto que conecta el radiador con la admisión de la bomba. Colabora en el bloqueo de traslación del conducto de caucho en la interfaz del embout. Superficie: Superficie frontal canales interiores Característica referente a superficie Funcionalidad Imagen Profundidad variable Depende de los valores de: caudal, velocidad del fluido y condiciones de estanqueidad marcadas desde el inicio. Valor de los redondeos es función de la fluidodinámica del líquido refrigerante, en ningún caso dejando aristas vivas. Superficie: Superficie lateral canales interiores Característica referente a superficie Funcionalidad Imagen Ancho variable Este parámetro varía para aumentar o disminuir la velocidad del fluido a su paso por cada tramo, según la velocidad que se precise a la salida. Superficie: Superficie frontal final en canales interiores Característica referente a superficie Funcionalidad Imagen Propósito en su diseño Superficies producto del proceso de fabricación debido a la morfología del molde. Tras el proceso de fabricación, se mecanizan estas superficies para darle el radio de curvatura adecuado. 36 Superficie: Superficie lateral diametral canales interiores Característica referente a superficie Funcionalidad Imagen Propósito en su diseño Ajusta el ángulo de incidencia del fluido a los parámetros de operación solicitados y hace que el fluido salga orientado correctamente. Es recomendable aumentar la resistencia de esta superficie pues el fluido va a estar incidiendo constantemente sobre esa cara. Superficie: Superficie frontal retén orificio central Característica referente a superficie Funcionalidad Imagen Propósito en su diseño Es uno de los elementos que conforman el cierre mecánico de la bomba de agua. Separa el cierre mecánico del rodamiento. Evita la fuga de líquido refrigerante y su mezcla con el lubricante. Superficie: Superficie lateral eje cuerpo de bomba Característica referente a superficie Funcionalidad Imagen Longitud en la parte posterior Asegura el ajuste del eje y lo protege. También aísla los componentes que van unidos a él como rodamientos o juntas tóricas, por lo que impide la fuga del líquido refrigerante. 3.2. Pulley Superficie: Superficie total de la pieza Característica referente a superficie Funcionalidad Imagen Concepción y diseño Subconjunto formado por tres elementos: tambor, polea y placa. Las uniones de estos elementos se realizan mediante soldadura por resistencia por puntos: la placa se suelda al cubo y, posteriormente, todo ello a la polea. 37 Superficie: Superficie frontal de la placa Característica referente a superficie Funcionalidad Imagen Propósito en su diseño La placa se suelda para aumentar el espesor de la superficie frontal del tambor y dotarla de mayor resistencia. Aumenta la superficie de contacto en la unión polea - soporte de la polea. Superficie: Superficie frontal de la placa Característica referente a superficie Funcionalidad Imagen Diámetro Se estima un diámetro que asegure el contacto y el proceso de soldadura de la placa al tambor. Facilita los procesos de mecanizado posteriores a la soldadura. Superficie: Superficies pertenecientes al tambor Característica referente a superficie Funcionalidad Imagen Propósito en su diseño Protege a modo de carcasa de cierre al subconjunto, para evitar el paso de agentes contaminantes y nocivos para los componentes del eje. Trata de asegurar la unión del subconjunto polea. Superficie: Superficie frontal del tambor Característica referente a superficie Funcionalidad Imagen Diámetro El diámetro del tambor viene dado por: diámetro de polea, diámetro del soporte de la polea y el diámetro donde están posicionados los centros de los tres taladros. Se debe asegurar que el diámetro sea, mayor o igual al diámetro del soporte de la polea para asegurar el contacto. 38 Superficie: Superficie lateral acanaladura Característica referente a superficie Funcionalidad Imagen Concepción y diseño La acanaladura de la polea depende directamente de la correa que se va a montar. Una correa trapezoidal permite pares de giro más elevados que otro tipo de correas, ocupando el mismo espacio y generando menos solicitaciones en los rodamientos. Los valores de fricción deben ser mínimos. Superficie: Superficie frontal diámetro mayor Característica referente a superficie Funcionalidad Imagen Diámetro Directamente proporcional a la longitud de la polea y al diámetro del resto ruedas que forman el sistema de distribución. También es función de la distancia entre los centros de las diferentes ruedas. Superficie: Superficie interior acanaladura Característica referente a superficie Funcionalidad Imagen Profundidad y ángulo de los flancos Tiene relación directa con la correa elegida, una vez obtenida la longitud de la correa obtendremos aspectos como la altura, el ancho y el ángulo. Norma ISO 4184 referente a correas. 3.3. Pulley Boss Superficie: Superficie lateral interior taladros Característica referente a superficie Funcionalidad Imagen Numero de taladros y distancia entre sí Separación entre taladros función de la naturaleza del esfuerzo sobre el elemento. Estas uniones no tienen como objetivo asegurar estanqueidades, con lo que se pueden equidistar los taladros. La distancia viene determinada por el cono de presión que debe generarse para cada una de las uniones. 39 Superficie: Superficie lateral diámetro mayor Característica referente a superficie Funcionalidad Imagen Longitud de espesor Es función de la unión roscada y de la otra pieza a unir, la polea. Asegura la longitud roscada para que pueda penetrar el vástago del tornillo y evitar que la cabeza de este se hunda provocando daños en la pieza debido al esfuerzo mecánico de la unión. Superficie: Superficie lateral interior taladros Característica referente a superficie Funcionalidad Imagen Diámetro No se emplea ningún elemento de bloqueo, aunque será necesario escoger el tornillo en función de la distancia que debe entrar el vástago en el taladro roscado del soporte de la polea. También hay que diseñar la superficie de contacto de la cabeza del tornillo (matado) para resistir las solicitaciones mecánicas. Superficie: Superficie frontal exterior Característica referente a superficie Funcionalidad Imagen Diámetro El diámetro debe cumplir dos requisitos: ser inferior al diámetro de la polea y ser lo suficientemente grande como para contener el diámetro donde están situados los centros de los tres taladros equidistantes. Superficie: Superficie achaflanada del orificio central Característica referente a superficie Funcionalidad Imagen Propósito en su diseño Facilitar la montabilidad del conjunto. Es frecuente tener que lubricar el eje y dichos elementos durante el transcurso de la vida útil de la bomba. 40 Superficie: Superficies frontales de diámetro decreciente Característica referente a superficie Funcionalidad Imagen Propósito en su diseño La interacción eje-agujero condiciona el diseño del eje del soporte de la polea, garantizando la unión con la polea y a su vez la incorporación del eje. La principal función de esta pieza es transmitir al rodete el movimiento del eje que viene dado por la rotación de la polea. Superficie: Superficie lateral de diámetro intermedio Característica referente a superficie Funcionalidad Imagen Propósito en su diseño Su espesor coincide con el de la polea. Está diseñado para la interfaz agujero-eje que tendrá lugar entre polea y soporte de la polea. Posteriormente se estrecha para finalizar en un diámetro que permita alojar en su interior el eje. 4.MONTABILIDAD.INTERFACES ENTRE SUPERFICIES. 4.1. Pump HousingEngine Block Operación: 1. Apoyo sobre plano de superficie bloque de cilindros GDL Restantes Criterio de aceptación Riesgos 3 GDL Elección de tres puntos que delimitan el plano. Asegurar el correcto tratamiento superficial de ambas superficies a unir para garantizar el contacto. Problemas de estanqueidad que dan lugar a fugas de líquido refrigerante. 41 Operación: 2. Posicionamiento pasadores GDL Restantes Criterio de aceptación Riesgos 1GDL (primer pasador) 0GDL (segundo pasador) Elección del pasador cilíndrico y del extractor del pasador. En la operación se realiza una fuerza de compresión o tracción dentro de los estándares recomendados. Previamente se ha asegurado el contacto entre las dos superficies a unir. Problemas de desalineamiento que pueden no garantizar el isostatismo del elemento. Operación: 3. Ejecución de uniones atornilladas GDL Restantes Criterio de aceptación Riesgos 0 GDL ISOSTÁTICO Uso de la herramienta adecuada para ejecutar las uniones roscadas. Aplicar el par de apriete estipulado para motor estimado en 15 Nm. En las uniones generar un reparto equilibrado de la presión, instalando de manera entrecruzada los tornillos. Aparición de concavidad o convexidad en la superficie a unir, no asegurando el contacto total entre superficies. Problemas de estanqueidad y aparición de fugas que generan sobrecalentamiento del motor. Aumentan las pérdidas de carga. Posible aparición de cavitación y de problemas de implosión. 4.2. ImpellerPump Housing Operación: 1. Apoyo sobre plano de superficie lateral pump housing GDL Restantes Criterio de aceptación Riesgos 2 GDL Asegurar el correcto acabado superficial de la superficie a unir teniendo en cuenta que va a estar en permanente contacto con el cuerpo de la bomba. Verificar que el contacto es compatible en el rango de velocidades angulares en el que se estima el funcionamiento del rodete. Imposibilidad de alcanzar rangos de velocidad angular de funcionamiento. Desgaste excesivo de la superficie de contacto que provoca fugas. Modificación del ángulo de salida (β) 42 Operación: 2. Apoyo sobre plano de superficie frontal pump housing GDL Restantes Criterio de aceptación Riesgos 2 GDL Asegurar el correcto acabado superficial de la superficie a unir teniendo en cuenta que va a estar en permanente contacto con el cuerpo de la bomba. Verificar que el contacto es compatible en el rango de velocidades angulares en el que se estima el funcionamiento del rodete. Imposibilidad de alcanzar rangos de velocidad angular de funcionamiento. Desgaste excesivo de la superficie de contacto que provoca fugas. Modificación del ángulo de salida (β) Operación: 3. Posicionamiento eje bomba GDL Restantes Criterio de aceptación Riesgos 1 GDL MECANISMO En la introducción del eje se debe tener en cuenta el posicionamiento del mismo respecto al resto de elementos del sistema, teniendo en cuenta el posicionamiento de rodamientos y juntas que permiten el movimiento relativo. Desalineamiento del rodete. Pérdida de energía cinética en el mecanismo debido al rozamiento. Modificación de ángulo de salida del rodete. Posible presencia de problemas de implosión al originarse burbujas en ciertas áreas de la estanqueidad 4.3. Pulley-Pulley Boss Operación: 1. Apoyo sobre plano de superficie frontal pump housing GDL Restantes Criterio de aceptación Riesgos 3 GDL Asegurar el correcto acabado superficial de la superficie a unir teniendo en cuenta que van a estar en permanente contacto polea y soporte de la polea. Verificar que el contacto es compatible con la velocidad y el alineamiento de la correa trapezoidal. Desalineamiento y desgaste de la correa. Problemas en el sistema de distribución. Pérdidas de potencia y problemas de fricción. Modificación de la orientación del eje y el rodete y sus problemas asociados. Operación: 2. Ejecución de uniones atornilladas GDL Restantes Criterio de aceptación Riesgos 0 GDL ISOSTÁTICO Uso de la herramienta adecuada para ejecutar las uniones roscadas. Aplicar el par de apriete estipulado para motor estimado en 8-10 Nm. En las uniones generar un reparto equilibrado de la presión, instalando de manera entrecruzada los tornillos. Pérdidas de energía y potencia. Dificultad para transmitir el movimiento producida por desalineamiento polea-soporte de la polea. Aparición de desalineamiento en el eje con lo que se produciría fricción constante y degradación final de las piezas que forman el sistema. 43 4.4. Pulley Boss-Shaft Operación: 1. Contacto entre superficies laterales GDL Restantes Criterio de aceptación Riesgos 2 GDL MECANISMO Comprobación del acabado realizado en la superficie lateral del taladro. Verificación de la holgura existente que permita la posibilidad de incorporar elementos solidarios al eje como rodamientos y el cierre mecánico. Problemas de transmisión de movimiento que pueden repercutir en el resto de las uniones en las que el eje está involucrado. Imposibilidad de alcanzar los regímenes de giro estipulados en el funcionamiento del rodete. Movimientos relativos no deseados. Posibilidad de fugas de líquido refrigerante con la aparición de holguras entre el eje y el taladro pasante del rodete. Operación: 2. Contacto entre superficies frontales GDL Restantes Criterio de aceptación Riesgos 1 GDL MECANISMO Comprobación del acabado realizado en la superficie frontal. Comprobar si la superficie frontal del eje que determina el contacto requiere de un acabado superficial específico. Problemas de transmisión de movimiento que pueden repercutir en el resto de las uniones en las que el eje está involucrado. Imposibilidad de alcanzar los regímenes de giro estipulados en el funcionamiento del rodete. Movimientos relativos no deseados. Desgaste y pérdida de material en la superficie frontal del eje, que puede modificar la posición y orientación. 44 5.DIAGRAMAS 5.1. Diagrama FAST 5.2. Diagrama Necesidades.” Pulpo”. 51 En la cadena de cotas referente a la condición JA (Figura 17) se detallará el proceso de cálculo de los juegos máximo, mínimo y el IT de la condición: Tabla 5. Datos para el cálculo de la cadena de cotas referente a la condición funcional JA El vector condición 𝐽𝐴 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 define arbitrariamente el sentido positivo. Con 𝐴12 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 , 𝐴7 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 y 𝐴𝑀 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 > 0 y 𝐴10 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 < 0 obtenemos la siguiente expresión: JA = A12 + A7 +AM − A10 Para obtener el juego mínimo y el juego máximo, definimos las siguientes expresiones: JA MAX = A12 MAX + A17 MAX + AM MAX − A10 min JA min = A12 min + A17 min + AM min − A10 MAX Para el cálculo del IT de la condición, hay que realizar el sumatorio de todos los IT de los vectores: IT JA =IT A10 + IT A11 + IT A6 +IT A12 Con los datos especificados anteriormente (Tabla 5), obtenemos los siguientes resultados (Tabla 6): Tabla 6. Datos para el cálculo de la cadena de cotas referente a la condición funcional JA Condición Funcional (JA): Distancia axial entre el plano medio de la polea y la superficie frontal del cuerpo de la bomba (Referencia A) Condición Vectores Positivo=1; Negativo= -1 Dimensiones Tolerancia Dim. Datos IT JA A12 1 60 +0.1/-0.1 0.2 A7 1 35 +0.2/-0.2 0.4 AM 1 10 +0.1/-0.1 0.2 A10 -1 24.67 +0.1 0.1 Condición Cadena de Cotas Juego MAX Juego min IT Condición JA JA=A12+A7+JAM-A10 80.73 79.83 0.9 52 Figura 17. Cadena de cotas referente a la condición funcional JA 6.2.2. Tornillos: Tabla 7. Datos de la cadena de cotas referente a la condición funcional JA en tornillos El vector condición 𝐽𝐴 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 define arbitrariamente el sentido positivo. Con 𝐴0 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 , 𝐴12 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 > 0 y 𝐴4 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 < 0 obtenemos la siguiente expresión: JA =A0 + A12 − A4 Figura 18. Cadena de cotas referente a la condición funcional JA en tornillos Condición Funcional (JA): Distancia referente a guarda fondos taladro Condición Vectores Positivo=1; Negativo= -1 Dimensiones Tolerancia Dim. Datos IT JA A0 1 A12 1 A4 -1 53 Tabla 8. Datos de la cadena de cotas referente a la condición funcional JB en tornillos El vector condición 𝐽𝐵 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 define arbitrariamente el sentido positivo. Con 𝐵0 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 , 𝐵12 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 > 0 y 𝐵4 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 < 0 obtenemos la siguiente expresión: JB =B0 + B12 − B4 Figura 19. Cadena de cotas referente a la condición funcional JB en tornillos Tabla 9. Datos de la cadena de cotas referente a la condición funcional JC en tornillos El vector condición 𝐽𝐶 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 define arbitrariamente el sentido positivo. Con 𝐶12 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 > 0 y 𝐶4 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 < 0 obtenemos la siguiente expresión: JC = C12 − C4 Figura 20. Cadena de cotas referente a la condición funcional JC en tornillos Condición Funcional (JB): Distancia referente a guarda fondos de rosca Condición Vectores Positivo=1; Negativo= -1 Dimensiones Tolerancia Dim. Datos IT JB B0 1 B12 1 B4 -1 Condición Funcional (JC): Distancia referente longitud de implantación del tornillo Condición Vectores Positivo=1; Negativo= -1 Dimensiones Tolerancia Dim. Datos IT JC C12 1 C4 -1 54 Tabla 10. Datos de la cadena de cotas referente a la condición funcional JD en tornillos El vector condición 𝐽𝐷 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 define arbitrariamente el sentido positivo. Con 𝐷12 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 > 0 y 𝐷4 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 < 0 obtenemos la siguiente expresión: JD = D12 − D4 Figura 21. Cadena de cotas referente a la condición funcional JD en tornillos 6.2.3. Posición del rodete: Tabla 11. Datos de la cadena de cotas referente a la condición funcional JA en posición de polea El vector condición 𝐽𝐴 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 define arbitrariamente el sentido positivo. Con 𝐴9 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 , 𝐴𝑀 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 y > 0 y 𝐴6 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 , 𝐴7 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 , 𝐴12 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 󰇍 < 0 obtenemos la siguiente expresión: JA =A9 +AM −A6 −A7 − A12 Condición Funcional (JD): Distancia referente al juego entre tornillo y taladro Condición Vectores Positivo=1; Negativo= -1 Dimensiones Tolerancia Dim. Datos IT JD D12 1 D4 -1 Condición Funcional (JA): Holgura axial de posicionamiento del rodete sobre el cuerpo de la bomba Condición Vectores Positivo=1; Negativo= -1 Dimensiones Tolerancia Dim. Datos IT JA A9 1 AM 1 A6 -1 A7 -1 A12 -1 55 Figura 22. Cadena de cotas referente a la condición funcional JA en posición polea 6.3. Transformación del análisis funcional al lenguaje ISO-GPS: En epígrafes anteriores se ha redactado el cuaderno de cargas funcional técnico de la bomba de agua. El resultado del análisis funcional se traduce en especificaciones geométricas en los planos del elemento. En primer lugar, es necesario establecer un orden lógico y específico para cada interfaz, que aporte datos sobre el proceso de montaje, pormenorizando cada uno de los procedimientos y haciendo hincapié en aspectos técnicos dinámicos y estáticos durante el proceso. Así, se especifican grados de libertad que restringe cada operación o movimientos relativos entre las piezas. Este procedimiento comienza en el cuaderno de cargas funcional técnico y el dossier de cadenas de cotas y son la base en la definición de los referenciales y de las especificaciones GPS. Posteriormente, se define el “mise en position” de cada elemento, se establecen los referenciales A, B, C en el dibujo, atendiendo a criterios funcionales y de puesta en posición de cada elemento que participa en el montaje. Es preciso generar el apoyo en un referencial de soporte “batî”, en la bomba de agua es la superficie frontal del bloque motor. Además, hay que definir unos planos y orientaciones básicas, como: planos horizontales, frontales y transversales que posicionan los sistemas de referencia de la pieza base del conjunto, en este caso, del cuerpo de la bomba. Una vez definidos los referenciales, se analiza la montabilidad, haciendo hincapié en los requerimientos necesarios para poder asegurar y completar cada operación del proceso. Se trata de la fase inicial en la implantación de la especificación, ya 56 que, seguidamente se realizará un estudio de las referencias para complementar la especificación. Durante el proceso, es muy común el uso de herramientas como tablas, que ayudan a clasificar y sintetizar la información, con el objetivo de ser claros y precisos en el momento de definir la especificación GPS en el dibujo o en el modelo. A continuación, se definirán los procesos de transformación seguidos en las interfaces principales de la bomba de agua. 6.3.1. Posicionamiento del cuerpo de la bomba sobre el bloque motor: La interfaz más importante entre elementos de la bomba es la generada por el cuerpo de la bomba “pump housing” y el bloque de cilindros “cylinder block”. El proceso de montaje comenzará con el contacto de la superficie frontal del cuerpo de la bomba sobre la superficie frontal del bloque de cilindros, posteriormente se alinearán los ejes de los taladros de centrado, pues se introducirán los pasadores. Por último, una vez posicionado el cuerpo de la bomba, se ejecutarán las uniones atornilladas. (Tabla 13) Estas operaciones se llevan a cabo con una dirección y sentido estipulados y referentes a un sistema de referencias generados en el bloque motor. Es importante, estudiar el requerimiento de la pieza en lo que a isostatismo se refiere. Con la primera operación de contacto no se restringe ningún grado de libertad, montando el primer pasador se restringen dos grados de libertad de traslación del cuerpo de la bomba. Mediante el montaje del segundo pasador se restringe la rotación del cuerpo de la bomba sobre el eje del primer pasador. Con estas operaciones conseguimos un sistema isostático (GDL=0) Interfaces Operaciones GDL Restantes Pump HousingEngine Apoyo sobre plano (superficie motor) 3 GDL Posicionamiento pasadores 1GDL (primer pasador) 0GDL (segundo pasador) Ejecución de uniones atornilladas 0 GDL ISOSTÁTICO Solicitaciones a tracción y punzonamiento Tabla 12. Secuencia de operaciones de montaje referente a la interfaz pump housing-engine Para definir los referenciales A, B, C, se seguirá el mismo orden que el implementado en el montaje. Asimismo, el plano frontal del cuerpo de la bomba será el referencial A, pues es el primer contacto. Posteriormente se situarán los taladros de los pasadores, por lo que el referencial B se refiere al eje del primero. Por último, el referencial C hace referencia al eje del segundo taladro para pasador. 57 Como resultado de esta etapa, se ha utilizado el diagrama CLIC [8], con el objetivo de agrupar y sintetizar la información del “mise en position” (Tabla 14): INTERFAZ: Pump HousingCylinder Block Pump Housing Marca:12 Conjunto: Water Pump Plano Grupo de dos taladros para pasador cilíndrico Grupo de dos taladros para pasador cilíndrico A 12 B 12 C 12 Contacto Pasador cilíndrico: apriete en Cylinder Block, apriete en Pump Housing Pasador cilíndrico: apriete en Cylinder Block, apriete en Pump Housing D 0 E 0 F 0 Plano Grupo de dos taladros para pasador cilíndrico Grupo de dos taladros para pasador cilíndrico Tabla 13. Tabla metodología CLIC referente a la interfaz pump housing-engine La información incluida en esta tabla se complementa a partir del dibujo de la interfaz mediante un modelo “skin”, que muestra la geometría real de la pieza, producto de la fabricación (Figura 24): Figura 23. Modelo “skin” referente a la interfaz pump housing-engine Por último, se fijan los requerimientos necesarios y que afectan a los operadores geométricos que participan en la unión.Para comenzar, la superficie frontal del cuerpo de la bomba (Ref:A) debe tener un cierto grado de planitud para asegurar el contacto y la estanqueidad con el bloque de cilindros, con lo que requiere de una tolerancia de planitud. 58 Centrando el estudio en los taladros destinados a uniones atornilladas, su eje está referenciado respecto las referencias A,B y C y precisa definir su posición y orientación. Volviendo al estudio del montaje, la ejecución de las uniones atornilladas suponía la última operación, tras el contacto de las superficies y la ejecución del centrado mediante pasadores.Por lo tanto, para restringir su posición es necesaria una tolerancia de posicionamiento referida al eje, respecto de una referencia primaria (Ref: A) y secundaria (Ref:B). Esta tolerancia define un cilindro teóricamente perpendicular al plano con referencia A al taladro y de diámetro marcado por el valor de la tolerancia de posicionamiento.En este cilindro debe estar incluido el eje (Figura 24): Figura 24. Representación de especificación de posicionamiento (izquierda) y perpendicularidad (derecha) en la interfaz pump housing-engine En cuanto a la orientación del eje, se establece una tolerancia de perpendicularidad respecto de la superficie frontal del cuerpo de la bomba (Ref: A). Esta operación consigue que la zona de tolerancia delimitada por la especificación de posicionamiento afectada al eje se reduzca aún más, siendo su diámetro el valor de la tolerancia de perpendicularidad. (Figura 25) Fijando estas dos especificaciones se consigue determinar con precisión y de manera inequívoca la funcionalidad y situación en el espacio del eje, de los taladros de los tornillos. El valor de la zona de tolerancia de perpendicularidad depende de la anchura del cuerpo para cada tornillo. Por último, es necesario fijar una especificación de planitud a la superficie plana de apoyo del tornillo. La cabeza de este apoya en dicha superficie y es necesario un 59 grado de planitud para que la cabeza del tornillo no quede embebida en algún momento debido al esfuerzo mecánico de la unión atornillada. (Figura 26) Figura 25. Representación de especificación de planitud (izquierda) en superficie frontal cilindros protectores 6.3.2. Posicionamiento del rodete sobre el cuerpo de la bomba: El rodete durante su funcionamiento va a estar en continuo movimiento de rotación, por lo que es importante asegurar cierta holgura, sobre todo axialmente, algo que vendrá determinado por la resolución de la condición funcional definida en la cadena de cotas de epígrafes anteriores. La movilidad del rodete debe estar reducida a un grado de libertad (GDL=1), su rotación. Es decir, con las operaciones definidas anteriormente es preciso restringir cinco grados de libertad. Con el montaje del eje roscado pasante al rodete se eliminan los grados de libertad referentes al desplazamiento axial y radial del rodete. La unión del eje con el rodete elimina los dos grados de libertad restantes. Posteriormente, teniendo en cuenta la metodología de montaje y la condición funcional fijada en la cadena de cotas, se definen las especificaciones geométricas referentes a los vectores de la cadena de cotas. En primer lugar, hay que situar el rodete respecto al cuerpo de la bomba, para ello se requiere una tolerancia de localización que afecta al eje de la superficie cilíndrica exterior del rodete respecto de la referencia A, fijada en la superficie frontal del cuerpo de la bomba. Además, la superficie frontal izquierda del rodete requiere una tolerancia de planitud. También es necesaria una especificación de localización de la superficie frontal del rodete respecto del referencial A. 6.3.3. Posicionamiento de polea sobre el cuerpo de la bomba: La posición y orientación de la polea respecto del cuerpo de la bomba son fundamentales durante la etapa de montaje. Un error de orientación de la polea 60 puede repercutir negativamente en la función de la bomba de agua y de los sistemas de su entorno, como el de distribución. Se pueden originar problemas de desalineamiento, pérdidas de potencia o fricción en los elementos. En el dossier de cadenas de cotas se ha definido la condición funcional referente al desplazamiento axial de la polea respecto de la superficie frontal del cuerpo de la bomba. Analizando el funcionamiento de la bomba de agua, la movilidad de esta interfaz debe permitir un grado de libertad (GDL=1), ya que la polea debe rotar respecto el cuerpo de la bomba, que se mantiene inmóvil. Es necesario restringir cinco grados de libertad referentes al desplazamiento axial y al desplazamiento radial. Con el montaje del eje encastrado en el rodamiento se eliminan ambos. En la unión entre el eje y la polea se eliminan los tres grados de libertad restantes. Respecto a las especificaciones geométricas necesarias en las condiciones funcionales definidas en la cadena de cotas, es necesaria una tolerancia de forma individual que afecta a los dos flancos, con lo que debe incluir un requerimiento de zona compartida. Esta zona compartida no es parcial, por tanto, es preciso fijar sus dimensiones y posición mediante cotas teóricamente exactas. También es necesario fijar una segunda especificación de forma que afecta a la misma zona respecto de las referencias A, B, D, que son respectivamente la superficie frontal del cuerpo de la bomba, el taladro de posicionamiento del cuerpo de la bomba donde se monta el primer pasador y el eje central del cuerpo de la bomba. Por último, es preciso definir una especificación de oscilación radial que afecta a ambos flancos de la polea respecto del referencial D, y que sirve para posicionar y orientar la polea. Es necesario definir el diámetro eficaz de la polea mediante cotas teóricamente exactas para poder verificar suposición respecto a las superficies de apoyo de la correa especificadas anteriormente. 67 BIBLIOGRAFÍA: [1] Charpentier, F. (2021). Mémento de spécification géométrique des produits: les normes ISO-GPS. Dunod. [2] Jacotin, Y.I, & Perot, S. (2020). Fascicule de cours: Étude de conception.Départament de Génie Mécanique:deuxième anée mécanique. ENIM [3] Bachelet, R. OUTILS PROJET: Analyse Fonctionnelle. cour de l’école Centrale de Lille. [4] Boisseau, P. (2016). La conception mécanique-2e éd. Dunod. [5] Chevalier, A. (2005). Guide du dessinateur industriel. Hachette. [6] Nielsen, H. S. (2012). The ISO Geometrical Product Specification Handbook. Find your way in GPS, 1st edn. 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Indicación de la calidad superficial en la documentación técnica de productos. (ISO 1302:2002). 70 71 ANEXO I: PLANOS BOMBA DE AGUA ROVER V8-BUICK-215 ÍNDICE DE PLANOS: 1. Plano explotado 2. Plano 3D funcional pump housing 3. Plano de conjunto 4. Plano de cadena de cotas polea 5. Plano de cadena de cotas rodete 6. Plano de acotación conjunto