Porsche mejora su tren de válvulas con vibrometría láser

Porsche mejora su tren de válvulas con vibrometría láser

vibrometria_polytec  Descubre cómo los ingenieros de Porsche ocupan la vibrometría láser para investigar y mejorar el comportamiento    logo-polytec                                                                                                                                           dinámico del tren de válvulas.

 

Durante los últimos años, la vibrometría láser se ha convertido en una herramienta fundamental del sector automotriz. Este proceso sin contacto es usado en la ingeniería de Porsche para investigar y mejorar el comportamiento dinámico del tren de válvulas durante el proceso de desarrollo.

¿Para qué mejorar el diseño del tren de válvulas?

Para lograr un máximo rendimiento con un óptimo consumo de combustible se requiere de un motor perfectamente afinado, el tren de válvulas tiene el potencial para lograr dichas mejoras.

Hoy en día, la demanda de éste tipo de componentes ha aumentado, en especial para su uso en motores de autos deportivos, ya que ofrecen una mayor apertura de corte transversal en combinación con una válvula corta con periodos de apertura a altas revoluciones.

Es por esta razón, que los desarrolladores se esfuerzan constantemente para mejorar las propiedades del tren de válvulas.

 El tren de válvulas consta de las válvulas, balancines, varillas de empuje, elevadores, y el árbol de levas. 

Medición en el banco de pruebas

Durante las primeras etapas del desarrollo se puede usar un banco de pruebas (Imagen 1) para comprobar si el tren de válvulas puede ofrecer o no, las características indicadas en el documento de especificación, y si será capaz de resistir las exigencias. Los ingenieros de Porsche utilizan rayos láser especiales para examinar la dinámica del tren de válvulas sin ningún contacto físico y, por lo tanto, sin interferencia. Este tipo de prueba permite realizar la medición del comportamiento de las válvulas a diferentes velocidades.

prueba-valvulasImagen 1: Vista de las válvulas a prueba montadas en la maqueta de la cabeza del cilindro. En el primer plano se puede                                                                                   visualizar el vibrómetro láser.

 

 

 

Para tomar las mediciones, la cabeza del cilindro se presuriza con combustible, tal como se haría en el funcionamiento normal de un banco de pruebas de la máquina (Imagen 2). La temperatura del aceite y la expansión se pueden ajustar de manera consecuente. Estos parámetros son especificados y monitoreados en una base de datos electrónica.

 

evaluacion-tren-valvulasImagen 2: Validación previa del diseño del tren de válvulas en un solo banco de pruebas.

 

Un motor asincrónico de alto rendimiento eléctrico acciona todo el conjunto temporizador y puede ser programado para simular una operación real.

La transmisión por cadena se replica en su totalidad con todas las marchas intermedias, incluyendo el tensor de la cadena. De esta manera, la dinámica del tren de válvulas puede ser examinada junto con todas las influencias y reacciones externas, así como el efecto poligonal de la transmisión por cadena, la influencia amortiguadora del tensor de la cadena hidráulica y los momentos de variación del árbol de levas.

Antes de tomar las mediciones, el rayo láser es posicionado para golpear la cabeza de la válvula de manera perpendicular y un segundo rayo láser se coloca como un rayo de referencia de manera paralela al primero y de manera adyacente a la base de la válvula.

medicion-vibrometro-laserImagen 3: Rayos láser de medición del vibrómetro.

 

En la imagen 3 se pueden visualizar los dos rayos láser y las dos mediciones. Con la referencia establecida el movimiento relativo entre los dos puntos es medido, lo que permite mostrar el movimiento oscilatorio de la válvula sin la influencia de masas suspendidas. De este modo, la elevación y velocidad de la válvula pueden ser grabadas de manera efectiva.

Adquisición y evaluación de los datos

El vibrómetro de alta velocidad HSV-2002de Polytec, que utilizan los ingenieros de Porsche, fue desarrollado especialmente para mediciones en motores de autos de la fórmula 1.
Este vibrómetro puede grabar velocidades superiores a los 30 m/s, así como desplazamientos de hasta 160 mm.

 El vibrómetro HSV-2002 puede grabar velocidades arriba de los 30 m/s y desplazamientos de hasta 160 mm.                                            

Los datos obtenidos son grabados y guardados en tiempo sincrónico. El sistema Rotec RAS usado por Porsche puede grabar señales analógicas con una resolución de 16 bits y una razón de muestreo de 400 kHz. Además, se pueden grabar las señales de velocidad a una frecuencia de hasta 1 MHz con una resolución de 40 bits. Con su software integrado se puede realizar un análisis rápido de los datos obtenidos. (Imagen 4).

 

elevacion-cinematicaImagen 4: Diferencia de elevación cinemática y dinámica de la válvula, debido a los efectos dinámicos.

 

El desarrollo de este sistema le permite a Porsche medir diferentes efectos, por ejemplo: contornos de leva, rigidez de la suspensión neumática, progresión de la suspensión y masas de la válvula de transmisión.

Las influencia de estas modificaciones pueden ser evaluadas examinando la velocidad del cierre de válvula (Imagen 5), la aceleración de la válvula y calculando el proceso de poder de contacto y las tensiones hertzianas (tensiones de presión superficial). Adicionalmente, analizando las vibraciones torsionales podemos obtener información más a fondo sobre el comportamiento operacional.

 

velocidad-motorImagen 5: Relación del aumento de la velocidad de cierre de la válvula con el aumento de la velocidad del motor.

 

Debido al incremento de producción de trenes de válvula cada vez más complejos con un periodo de desarrollo más corto, el análisis del tren de válvulas se está volviendo más relevante.

Mediante el uso del vibrómetro láser en una etapa temprana de desarrollo, los ingenieros de Porsche están examinando el tren de válvulas para propiedades cinemáticas, dinámicas y de estrés en el intervalo deseado de RPM. El desarrollo necesario de modificaciones del tren de válvulas ha sido dirigido y evaluado en diversos proyectos mediante el uso de la vibrometría láser evitando por lo tanto los costosos círculos de desarrollo intensivo.

Referencia: Polytec. Applications “Measuring with Lasers” [documento en línea http://www.polytec.com/fileadmin/user_uploads/Applications acceso: mayo 2014].

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