Nueva generación de dinamómetros de alta velocidad para motores

Dyno Dynamics es una empresa australiana a la vanguardia del diseño de dinamómetros desde hace más de 25 años. Sus clientes están por todo el mundo, desde Aruba hasta Abu Dabi. También tienen una fuerte presencia en Estados Unidos y en Reino Unido.

Los productos de más éxito de la empresa son sus dinamómetros para vehículos de tracción a dos ruedas, a cuatro ruedas y motocicletas, todos ellos dirigidos a la industria de servicios de automoción. No obstante, Dyno Dynamics también fabrica dinamómetros para camiones, autobuses y motores; de hecho, para cualquier cosa desde karts hasta motores diésel de locomotoras.

Recientemente, esta empresa ha elegido a HBM Australia como proveedor de sensores de par para un nuevo diseño de dinamómetro para motores de alta velocidad y potencia, que describimos a continuación.

Nuevo dinamómetro para motores de alta velocidad

Cuando en Dyno Dynamics se plantearon diseñar un nuevo dinamómetro para motores de alta velocidad, sabían que no bastaba con poner al día uno de sus modelos ya existentes. Con unas especificaciones de 10.000 rpm y 1.000 CV (aprox. 750 kW), hacía falta un nuevo enfoque.

La potencia no era problema: Dyno Dynamics había fabricado en el pasado dinamómetros para motores de mayor potencia. Lo más complicado eran las velocidades de entrada de 10.000 rpm.

A la vista de otras exigencias del diseño, eligieron utilizar frenos de corrientes de Foucault, debido a que son compactos, robustos y de acción rápida. Dyno Dynamics ha utilizado miles de frenos de este tipo en los últimos 20 años, con una tasa mínima de fallos durante el funcionamiento.

Sin embargo los frenos comercialmente disponibles para las potencias más altas normalmente solo llegan hasta 4.000-5.000 rpm. La solución más obvia era incorporar una reductora, que rebajase la velocidad del eje hasta valores más manejables.

Pero las reductoras industriales disponibles en el mercado resultarían muy caras y grandes, en caso de que Dyno Dynamics fuera capaz de encontrar algún proveedor. ¿Existía entonces alguna alternativa?

La solución vino del mundo de las carreras: un diferencial diseñado para los potentes motores V8 de competición.


Diferencial de un V8 para supercar, con enfriador de aceite

Con una relación de 2,86:1, la velocidad de salida del eje se reduce hasta 3.500 rpm, un valor más razonable, y los dos ejes de salida permiten montar un par de frenos de forma compacta.

La solución: un acoplamiento con amortiguación

La velocidad de giro de un motor de combustión interna nunca es constante, porque el cigüeñal pierde velocidad en cada carrera de compresión y se acelera en cada carrera de combustión. Aunque el volante de inercia del motor mejora la uniformidad del giro hasta cierto punto, no elimina una oscilación pronunciada de velocidad (y par), especialmente a bajas revoluciones.

Esta oscilación puede producir tensiones importantes en los elementos de la transmisión, que se dejan sentir especialmente en los dinamómetros para motores, porque no hay elementos que “cedan” y aporten algo de flexibilidad, como los neumáticos o la suspensión.

La solución pasa por utilizar un acoplamiento con amortiguación, que produce una rigidez torsional muy precisa. El empleo de un amortiguador de vibración rotacional neutraliza en gran medida los picos de par y las vibraciones rotacionales del motor. De esta forma se evita un desgaste excesivo de la transmis.

El acoplamiento que eligió Dyno Dynamics fue el TECTOS t600, un producto específico para el sector de pruebas de motores.

TECTOS t600

Una vez que se decidió el diseño mecánico básico, se pasó a la instrumentación.

Lo más importante de un dinamómetro es una medición precisa de par y velocidad. Normalmente también es preciso adquirir otros datos adicionales, pero el par y la velocidad son los parámetros críticos.

Para medir la velocidad, Dyno Dynamics utilizó su sistema de rueda dentada y sensor inductivo, perfectamente contrastado, que lleva muchos años demostrado su fiabilidad.

La medición de par planteó un verdadero desafío. Para obtener resultados precisos es necesario medir el par de entrada a la reductora, para tener en cuenta la fricción de la misma. Por esta razón, Dyno Dynamics no podía utilizar un sistema estándar de célula de carga y el brazo de palanca: hacía falta montar un transductor de par rotativo en la línea del eje.

Después de un estudio exhaustivo, Dyno Dynamics eligió el T40B de HBM. Con capacidad para 15.000 rpm / 2.000 Nm, era perfecto para las especificaciones de diseño del dinamómetro, y su perfil compacto permitía un diseño de montaje sencillo.

El T40B es un sensor tipo brida, con transmisión de señales sin contacto. Eso hace posible un perfil de montaje muy compacto, dado que el sensor tiene una profundidad de tan solo 59 mm.
Con todo, el transductor de par de HBM resultó ser demasiado sensible y se necesitó un filtrado de software adicional para suavizar los impulsos de los cilindros individuales.


T40B

Fotografía del sensor montado in situ, con su antena circular en el centro de la imagen

Por qué Dyno Dynamics eligió a HBM

Dyno Dynamics eligió a HBM como proveedor por varias razones: ante todo, porque el producto se ajustaba a los requisitos a un precio competitivo; pero también por el acceso al servicio de soporte técnico proporcionado por los ingenieros de zona de HBM.

El ingeniero de ventas de HBM Michael Lanksch se interesó de forma especial por el proyecto y se desplazó hasta la fábrica para comentarlo con el equipo de diseño.

HBM suministró un modelo en 3D del transductor en formato Solidworks que se integraba perfectamente con el sistema CAD del cliente, lo que simplificó en gran medida el proceso de diseño.

Modelo CAD del sistema mecánico completo
Resultado final, con el cableado final colocado
Sistema completo en pruebas

Gráfico de algunas pruebas de funcionamiento iniciales, que muestran cómo el motor no funciona bien debido a una presión inadecuada de combustible:

Principios de funcionamiento de los dinamómetros

Todos los dinamómetros necesitan algún método para absorber la potencia producida por el motor durante la prueba (potencia que normalmente se convierte en calor). Los dos sistemas más comunes para absorber esa energía son los “frenos hidráulicos” y los “frenos de corrientes de Foucault”.

  • Los frenos hidráulicos utilizan el motor para bombear agua a través de una restricción variable. El agua se calienta y el calor se elimina mediante algún tipo de torre de refrigeración.
  • Los frenos de corrientes de Foucault utilizan el motor para hacer girar una serie de discos insertados entre electroimanes (bobinas). Cuando el disco conductor se mueve por el campo magnético, su movimiento produce calor inductivo en los discos. Los discos se pueden refrigerar mediante aire o agua.
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