Embed Size (px)
Citation preview
Desarrollo de un nuevo y ligero semirremolque cisterna basculante
Tomás HernándezDepartamento Técnico PARCISA S.L.U.
I Jornada sobre Investigación y Desarrollo aplicada al sector del Vehículo Industrial
Des
arro
llo d
e nu
evo
sem
irre
mol
que
cist
erna
bas
cula
nte
para
el
tran
spor
te d
e m
ater
iale
s pul
veru
lent
os
2
Índice
1. Introducción.
2. Cisterna basculante para materiales pulverulentos.
3. Herramientas y criterios de diseño considerados.
4. Estudio y caracterización de maniobras de interés.
5. Primeros resultados obtenidos: rigidez, resistencia.
6. Propuestas de mejora: reducción de taras.
7. Conclusiones y futuros trabajos.
Des
arro
llo d
e nu
evo
sem
irre
mol
que
cist
erna
bas
cula
nte
para
el
tran
spor
te d
e m
ater
iale
s pul
veru
lent
os
3
� Uno de los criterios de diseño de mayor relevancia en el desarrollo de vehículos destinados al transporte de mercancías es el de aligeramiento estructural (reducción de taras), ya que reportan una serie de importantes ventajas:
� Reducción consumo de combustible. Reducciones de 10% en el peso de los camiones reducen el consumo de combustible entre un 5% y 10%)
(Fuente: IFEU: Institute for Energy and Environmental Research)
1. Introducción
Aligeramiento estructural en vehículos pesados
Des
arro
llo d
e nu
evo
sem
irre
mol
que
cist
erna
bas
cula
nte
para
el
tran
spor
te d
e m
ater
iale
s pul
veru
lent
os
4
� Aumento de carga útil. Una reducción del peso del vehículo permite aumentar la carga útil a transportar, disminuyendo el consumo y el coste por kilo de mercancía transportado.
� Ahorro material. Desde el punto de vista del fabricante, supone una reducción en los kilos de material necesarios para desarrollar el vehículo, es decir, por lo general una disminución en los costes de fabricación del vehículo.
� Aumento seguridad del vehículo. Reducir el peso del vehículo implica disminuir los esfuerzos debidos a los procesos inerciales ocurridos en la dinámica longitudinal, vertical y lateral del vehículo. Esta reducción de esfuerzos implica un aumento de la vida útil de los componentes de los sistemas destinados a controlar dichos esfuerzos.
� Mayor competitividad. Las mejoras realizadas sobre los productos repercuten, en definitiva, en una mayor nivel competitivo del fabricante respecto del resto de empresas del sector.
1. Introducción
Aligeramiento estructural en vehículos pesados
Des
arro
llo d
e nu
evo
sem
irre
mol
que
cist
erna
bas
cula
nte
para
el
tran
spor
te d
e m
ater
iale
s pul
veru
lent
os
5
� En cuanto a materiales, pueden considerarse los siguientes:
1. Introducción
Materiales hasta ahora utilizados
� Aleaciones de aluminio. Gracias a su baja densidad comparada con la del acero (2.700 frente a 7.800 kg/m3) es un material muy atractivo de aplicación en vehículos pesados. Presenta niveles de rigidez y resistencia específicas (por unidad de peso) aceptables.
Aspectos mejorables/desventajas. Uno de los principales inconvenientes que presenta este tipo de material es la difícil predicción del comportamiento de las uniones soldadas. A diferencia de los aceros, el material del cordón presenta inferiores propiedades que el material base, lo cual requiere un exhaustivo diseño de la unión y posterior control para evitar futuros fallos en operación.
Des
arro
llo d
e nu
evo
sem
irre
mol
que
cist
erna
bas
cula
nte
para
el
tran
spor
te d
e m
ater
iale
s pul
veru
lent
os
6
1. Introducción
� Aceros de “Alta Resistencia”. Actualmente, los denominados como aceros de alta resistencia y “ultra-alta resistencia” suponen, gracias a las propiedades que ofrecen, una interesante alternativa de aplicación en vehículos pesados como los analizados en este proyecto:
(Fuente: Centro Zaragoza)
Tipo de acero Módulo elástico Límite elástico ResistenciaEstructural 210 GPa entre 270 y 360 MPa entre 370 y 520 MPa
Alta resistencia 210 GPa entre 1.200 y 1.400 MPa entre 1.400 y 1.700 MPa
Uso de nuevos materiales
Des
arro
llo d
e nu
evo
sem
irre
mol
que
cist
erna
bas
cula
nte
para
el
tran
spor
te d
e m
ater
iale
s pul
veru
lent
os
7
2. Cisterna basculante para materiales pulverulentos
� Realizar un análisis del estado actual de materiales (profundizando sobre todo en aceros de alta resistencia) que ofrezcan una elevada resistencia específica, con aplicación al sector de fabricantes de vehículos pesados.
� Realizar un análisis y establecer los criterios de diseño de interés (rigidez, resistencia y peso) en vehículos cisterna basculantes para el transporte de materiales pulverulentos.
� Comprobar, mediante herramientas de simulación numéricas basadas en el Método de los Elementos Finitos (MEF), el comportamiento en términos de rigidez y resistencia del vehículo actual.
� Determinar, analizando los resultados anteriores, posibles mejoras/optimizaciones siguiendo con los criterios de diseño previamente establecidos, en especial reduciendo la tara del vehículo (diferentes sistemas de material ligero, aceros de alta resistencia) y manteniendo los niveles de rigidez/resistencia exigidos.
� Desarrollar y ensayar prototipos de vehículo optimizado en base a los resultados obtenidos en las fases anteriores, comprobando el cumplimiento de los criterios de diseño así como validando los modelos teóricos considerados en los cálculos.
Objetivos y justificación del Proyecto
Des
arro
llo d
e nu
evo
sem
irre
mol
que
cist
erna
bas
cula
nte
para
el
tran
spor
te d
e m
ater
iale
s pul
veru
lent
os
8
Planteamiento generalBLOQUE 1.
REDISEÑO DEL VEHÍCULO CISTERNA BASCULANTE ACTUAL
TAREA 1Modelización por elementos finitos del vehículo cisterna basculante actual
TAREA 2Cálculo vehículo cisterna basculante actual
TAREA 3Cálculo de submodelos locales del vehículo cisterna basculante actual
TAREA 4Optimización del vehículo cisterna actual
TAREA 5Construcción de un Prototipo del vehículo cisterna basculante actual
TAREA 6Ensayo extensométrico del Prototipo del vehículo cisterna basculante actual óptimo
2. Cisterna basculante para materiales pulverulentos
Des
arro
llo d
e nu
evo
sem
irre
mol
que
cist
erna
bas
cula
nte
para
el
tran
spor
te d
e m
ater
iale
s pul
veru
lent
os
9
Planteamiento generalBLOQUE 2.
DESARROLLO DE UN NUEVO SEMIRREMOLQUE CISTERNA BASCULANTE CON CHASIS EN ACERO DE ALTA RESISTENCIA
TAREA 1Modelización por EF del vehículo cisterna basculante con chasis en acero de alta resistencia
TAREA 2Cálculo vehículo cisterna basculante con chasis en acero de alta resistencia
TAREA 3Cálculo de submodelos locales del vehículo cisterna basculante con chasis en acero de alta resistencia
TAREA 4Optimización del vehículo cisterna basculante con chasis en acero de alta resistencia
TAREA 5Construcción de Prototipo del vehículo óptimo con chasis en acero de alta resistencia
TAREA 6Ensayo extensométrico del Prototipo del vehículo óptimo con chasis en acero de alta resistencia
2. Cisterna basculante para materiales pulverulentos
Des
arro
llo d
e nu
evo
sem
irre
mol
que
cist
erna
bas
cula
nte
para
el
tran
spor
te d
e m
ater
iale
s pul
veru
lent
os
10
� Los criterios de diseño considerados en el desarrollo del proyectose resumen en los siguientes:
3. Herramientas y criterios de diseño considerados
� Rigidez. En este caso, se deberá comprobar, tanto en los modelos de partida como en las nuevos modelos optimizados, que los niveles de desplazamiento verticales, horizontales y transversales se encuentran dentro de los límites previamente establecidos.
� Resistencia. Se obtendrán los niveles de tensión equivalente de Von Mises, así como el coeficiente de seguridad en relación al límite elástico, para cada uno de los componentes y materiales considerados.
� Peso. Uno de los criterios fundamentales que se tendrá en cuenta a la hora de tomar decisiones sobre las soluciones y nuevos modelos propuestos será el de aligeramiento estructural, manteniendo e incluso superando los niveles de rigidez y resistencia anteriores.
18 mm
15 mm
9 mm
15 mm
12 mm
8 mm
Des
arro
llo d
e nu
evo
sem
irre
mol
que
cist
erna
bas
cula
nte
para
el
tran
spor
te d
e m
ater
iale
s pul
veru
lent
os
11
� La metodología de trabajo será la siguiente:
3. Herramientas y criterios de diseño considerados
Definición de maniobras críticasObtención de solicitaciones
Obtención de resultados en términos de rigidez y resistencia
Análisis de resultados
Propuesta de mejoras en base a criterios de rigidez,
resistencia y peso
Rediseño y optimización de componentes
Desarrollo y ensayo de prototipos
Des
arro
llo d
e nu
evo
sem
irre
mol
que
cist
erna
bas
cula
nte
para
el
tran
spor
te d
e m
ater
iale
s pul
veru
lent
os
12
� En base a la experiencia y el análisis de las maniobras realizables por este tipo de vehículos, se han estudiado y caracterizado las siguientes maniobras (“casos de carga”) considerados posteriormente en los análisis numéricos realizados:
4. Estudio y caracterización de maniobras de interés
“Reposo sobre 5ª rueda”
Empotramiento suelo Empotramiento extremos muelles
Apoyo 5ª rueda
• Carga máxima aplicada como una distribución hidrostática de presión:
30 T
Tara conjunto cisterna: 1.700 Kg.
Tara chasis: 1.300 Kg.
Presión hidrostáticaρ = 476 Kg./m3
V = 63 m3
Carga = 300.000 N
Des
arro
llo d
e nu
evo
sem
irre
mol
que
cist
erna
bas
cula
nte
para
el
tran
spor
te d
e m
ater
iale
s pul
veru
lent
os
13
“Reposo con el chasis apoyado en soportes de aparcamiento”
Empotramiento extremos muelles
Apoyo soportes
30 T
Tara conjunto cisterna: 1.700 Kg.
Tara chasis: 1.300 Kg.
Presión hidrostáticaρ = 476 Kg./m3
V = 63 m3
Carga = 300.000 N
• Caso similar al anterior pero en este caso la 5ª rueda queda libre y el apoyo se realiza sobre los soportes de aparcamiento.
4. Estudio y caracterización de maniobras de interés
Des
arro
llo d
e nu
evo
sem
irre
mol
que
cist
erna
bas
cula
nte
para
el
tran
spor
te d
e m
ater
iale
s pul
veru
lent
os
14
“Giro de radio mínimo (vida frente a fatiga)”
Sentido avance vehículo
Cabina tractora a 90º
90º
Esfuerzos transmitidos al diapres y al soporte mediante sistemas de
fuerza-Par equivalentes
Diapres: solo “absorbe” reacciones verticales
Soporte: admite tanto fuerzas como momentos en todas las direcciones
4. Estudio y caracterización de maniobras de interés
Des
arro
llo d
e nu
evo
sem
irre
mol
que
cist
erna
bas
cula
nte
para
el
tran
spor
te d
e m
ater
iale
s pul
veru
lent
os
15
“Bache de 150 mm en una rueda trasera”
Empotramiento suelo
Apoyo 5ª rueda
• Carga máxima aplicada como una distribución hidrostática de presión:
30 T
Tara conjunto cisterna: 1.700 Kg.
Tara chasis: 1.300 Kg.
Presión hidrostáticaρ = 476 Kg./m3
V = 63 m3
Carga = 300.000 N
+15 mm
4. Estudio y caracterización de maniobras de interés
Des
arro
llo d
e nu
evo
sem
irre
mol
que
cist
erna
bas
cula
nte
para
el
tran
spor
te d
e m
ater
iale
s pul
veru
lent
os
16
“Comienzo de basculación”
Empotramiento suelo Empotramiento extremos muelles
Apoyo 5ª rueda
• Carga máxima aplicada como una distribución hidrostática de presión:
30 T
Tara conjunto cisterna: 1.700 Kg.
Tara chasis: 1.300 Kg.
Presión hidrostáticaρ = 476 Kg./m3
V = 63 m3
Carga = 300.000 N
Aceleración inicial(a determinar)
Apoyo giro
Sin apoyar Sin apoyar
• En este caso, se introducirá una aceleración inicial sobre el bulón de anclaje del cilindro.
• Además, se liberarán las uniones entre los escudos y la cisterna dejando únicamente la unión con el giro trasero
4. Estudio y caracterización de maniobras de interés
Des
arro
llo d
e nu
evo
sem
irre
mol
que
cist
erna
bas
cula
nte
para
el
tran
spor
te d
e m
ater
iale
s pul
veru
lent
os
17
“Basculación a “” grados”
Empotramiento suelo Empotramiento extremos muelles
Apoyo 5ª rueda
30 T
Tara conjunto cisterna: 1.700 Kg.
Tara chasis: 1.300 Kg.
º
Presión hidrostáticaρ = 476 Kg./m3
V = 63 m3
Carga = 300.000 N
Carga máxima mantenida durante la
maniobra
4. Estudio y caracterización de maniobras de interés
Des
arro
llo d
e nu
evo
sem
irre
mol
que
cist
erna
bas
cula
nte
para
el
tran
spor
te d
e m
ater
iale
s pul
veru
lent
os
18
5. Primeros resultados obtenidos: rigidez, resistencia.
Detalles modelo numérico(Modelo de Elementos Finitos)Total: 111.068 elementos
Des
arro
llo d
e nu
evo
sem
irre
mol
que
cist
erna
bas
cula
nte
para
el
tran
spor
te d
e m
ater
iale
s pul
veru
lent
os
19
5. Primeros resultados obtenidos: rigidez, resistencia.
Resultados en términos de rigidez� A modo de ejemplo, se muestra la deformada y los mapas de desplazamiento
(longitudinal, vertical y transversal) correspondientes a la maniobra de “Giro de radio mínimo”, ya que se trata del caso más desfavorable de entre los descritos anteriormente:
Deformada del modelo (x 5)
Des
arro
llo d
e nu
evo
sem
irre
mol
que
cist
erna
bas
cula
nte
para
el
tran
spor
te d
e m
ater
iale
s pul
veru
lent
os
20
Resultados en términos de resistencia
5. Primeros resultados obtenidos: rigidez, resistencia.
� A modo de ejemplo, se muestra la tensión equivalente de Von Mises (en MPa), tanto del conjunto como de algunos de los componentes que forman parte del vehículo (maniobra de “Giro de radio mínimo”):
369.67 MPa.
0 MPa.
Des
arro
llo d
e nu
evo
sem
irre
mol
que
cist
erna
bas
cula
nte
para
el
tran
spor
te d
e m
ater
iale
s pul
veru
lent
os
21
6. Propuestas de mejora: reducción de taras
NUEVO SEMIRREMOLQUE CISTERNA BASCULANTE CON CHASIS EN ACERO DE ALTA RESISTENCIA
� Cambio de material� Reducción espesores en componentes� Modificación zona de arriostramiento de ejes� Optimización de largueros:
220 kg
Des
arro
llo d
e nu
evo
sem
irre
mol
que
cist
erna
bas
cula
nte
para
el
tran
spor
te d
e m
ater
iale
s pul
veru
lent
os
22
6. Propuestas de mejora: reducción de taras
� Variación de pesos respecto de los modelos en aluminio:
Modelo Acero(1ª Iteración)
Modelo Acero(2ª Iteración)
Cisterna Chasis TOTAL Cisterna Chasis TOTAL
Respecto Original (Aluminio) 23 % 29 % 4 % 23 % 5 % 8 %
Respecto Optimizado (Aluminio) 20 % 45 % 12 % 20 % 18 % 1 %
� Resumen de pesos (Kg.) de los diferentes modelos estudiados:
Cisterna Chasis TOTAL
Original (Aluminio) 1.432 1.548 2.980
Optimizado (Aluminio) 1.378 1.382 2.760
Iteración 1 (Acero) 1.102 2.001 3.103
Iteración 2 (Acero) 1.102 1.626 2.728
Nota: Solamente han sido considerados los componentes incluidos en la modelización.
nº Aumentonº Disminución
Des
arro
llo d
e nu
evo
sem
irre
mol
que
cist
erna
bas
cula
nte
para
el
tran
spor
te d
e m
ater
iale
s pul
veru
lent
os
23
� El vehículo cisterna basculante actual, realizado en aluminio, puede ser mejorado bajo los criterios de rigidez, resistencia y reducción de peso previamente establecidos y analizados en el proyecto.
� Los primeros resultados obtenidos muestran que algunos de los componentes están sobredimensionados respecto de los criterios anteriores. En otros casos, se detectan zonas en las cuales los niveles de resistencia (coeficientes de seguridad) deben ser mejorados para aumentar la seguridad de la estructura.
� Además, y en base al análisis del estado del arte previamente realizado, se plantean alternativas al modelo actual en cuanto a materiales se refiere. En este sentido, se analiza y valora la aplicación de aceros de alta resistencia debido sobre todo a su elevada resistencia específica.
� Como futuros trabajos se propone la aplicación de las mejoras propuestas en el desarrollo de prototipos, optimizados tanto en aluminio como en acero de alta resistencia, para su posterior ensayo y fase de pruebas.
7. Conclusiones y futuros trabajos
