Diseño de un diferencial no rígido con sistema multilink con suspensión tijereta tipo Mc Pherson

ESCUELA DE ELECTROMECNICA

Carrera: Ingeniera en Mantenimiento Industrial

Elementos de Mquinas

PROYECTO

DISEO DEL DIFERENCIAL NO RGIDO CON SISTEMA

MULTILINK CON SUSPENSIN TIJERETA TIPO

MACPHERSON CON BLOQUEO ELCTRICO

PROFESOR: ING. MANUEL FRANCISCO MATA COTO

ESTUDIANTES:

MARCIA SOLS BLANDN 201031421

ARIEL FONSECA RODRIGUEZ 201037333

JEAN CARLO ARRIETA ARROYO 201013080

GRUPO:01

II SEMESTRE 2014

ndice general

1. Introduccin .................................................................................................... 7

2. Objetivos ......................................................................................................... 8

2.1. Objetivo general ........................................................................................ 8

2.2. Objetivos especficos ................................................................................ 8

3. Consideraciones de diseo ............................................................................. 9

4. Diferencial ..................................................................................................... 10

4.1. Carcasa .................................................................................................. 10

4.2. Pin de ataque ...................................................................................... 11

4.3. Corona .................................................................................................... 12

4.4. Caja de satlites ..................................................................................... 13

4.5. Ncleo ..................................................................................................... 14

4.6. Paliers ..................................................................................................... 14

4.7. Bloqueo del diferencial ............................................................................ 15

5. Suspensin ................................................................................................... 16

5.1. Ballesta ................................................................................................... 18

5.2. Resorte helicoidal.................................................................................... 19

5.3. Barra de torsin ...................................................................................... 21

5.4. Barra estabilizadora ................................................................................ 23

5.5. Silentblocks y cojinetes elsticos ............................................................ 24

5.6. Rtulas .................................................................................................... 25

5.7. Mangueta y buje ..................................................................................... 26

5.8. Trapecios o brazos de suspensin .......................................................... 26

5.9. Tirantes de suspensin ........................................................................... 27

5.10. Topes de suspensin ........................................................................... 27

5.11. Amortiguadores ................................................................................... 28

5.12. Distintos modelos de suspensin mecnica ......................................... 28

5.12.1. Suspensiones rgidas ....................................................................... 30

5.12.2. Suspensin semirrgida .................................................................... 30

5.12.3. Suspensin independiente................................................................ 31

6. Resultados .................................................................................................... 39

7. Seleccin de partes del diferencial ................................................................ 56

8. Manual de mantenimiento ............................................................................. 63

9. Bibliografa .................................................................................................... 66

ndice de figuras

Figura 1. Muestra de una carcasa .................................................................... 11

Figura 2 Pin de ataque ................................................................................. 12

Figura 3 Corona ............................................................................................... 13

Figura 4 Caja de satlites ................................................................................. 13

Figura 5 Ncleo ................................................................................................ 14

Figura 5 Paliers ................................................................................................ 15

Figura 6 Sistema de bloqueo ............................................................................ 16

Figura 2 Muestra de una ballesta ..................................................................... 18

Figura 3 Unin de la ballesta al bastidor y eje de rueda. .................................. 19

Figura 4 Diagrama de un resorte ...................................................................... 20

Figura 5 Curva caracterstica de un resorte a compresin ................................ 20

Figura 6 Diagrama de un resorte con resorte auxiliar ....................................... 21

Figura 7 Diagrama simple de una barra de torsin ........................................... 22

Figura 8 Posicin de la barra de torsin en el automvil ................................... 22

Figura 9 Principio de funcionamiento de la barra estabilizadora ....................... 23

Figura 10 Montaje de la barra estabilizadora .................................................... 24

Figura 11 Diagrama de cojinete elstico ........................................................... 25

Figura 12 Muestra de una rtula ....................................................................... 25

Figura 13 Disposicin bsica de mangueta y buje ............................................ 26

Figura 14 Brazo de suspensin ........................................................................ 27

Figura 15 Suspensin rgida ............................................................................. 29

Figura 16 Suspensin independiente................................................................ 29

Figura 17 Ejemplo de suspensin rgida ........................................................... 30

Figura 18 Esquema de un tipo de suspensin semirrgida................................ 31

Figura 19 Esquema de una suspensin de eje oscilante. ................................. 32

Figura 20 Sistema de brazo arrastrado ............................................................. 33

Figura 21 Despiece de una suspensin tipo McPherson. ................................. 34

Figura 22 Despiece de una suspensin falsa McPherson................................. 36

Figura 23 Suspensin de paralelogramo deformable ........................................ 37

Figura 24 Esquema de una suspensin multibrazo delantera ........................... 38

Figura 25. Base del amortiguador (Derecho) .................................................... 57

k-90236. Fuente: www.rosco.com.mx ............................................................... 57

Figura 26. Base del amortiguador (Izquierdo) ................................................... 58

k-90237. Fuente: www.rosco.com.mx ............................................................... 58

Figura 27. Terminal exterior .............................................................................. 58

ES-476-L. Fuente: www.rosco.com.mx ............................................................. 58

Figura 28. Terminal interior ............................................................................... 58

ES-358-L. Fuente: www.rosco.com.mx ............................................................. 58

Figura 29. Cople de Terminal ........................................................................... 59

ES-500. Fuente: www.rosco.com.mx ................................................................ 59

Figura 30. Bujes de la barra tensora 1406046. ................................................ 59

Fuente: www.rosco.com.mx ............................................................................. 59

Figura 31. Goma de barra estabilizadora ES-8. ............................................... 59

Fuente: www.rosco.com.mx ............................................................................. 59

Figura 32. Barra tensora DS-1147. Fuente: www.rosco.com.mx ...................... 59

Figura 33. Amortiguador lado izquierdo. ......................................................... 60

Figura 34. Amortiguador lado derecho.............................................................. 60

Figura 35. Rtulas. ........................................................................................... 61

ndice de tablas

Tabla 1. Datos del motor de Toyota Fortuner ................................................ 39

Tabla 2. Parmetros del pin de ataque ..................................................... 40

Tabla 3. Clculos de factores de seguridad y dems parmetros geomtricos

del pin de ataque. ..................................................................................... 41

Tabla 4. Parmetros del material del pin de ataque y de la corona. .......... 42

Tabla 5. Parmetros de la corona. ................................................................ 42


de la corona. ................................................................................................. 43

1. Introduccin

El automvil es el medio de transporte ms utilizado a nivel mundial, cifras indican

que hay circulando un billn de automviles en una proporcin cercana a un carro

por habitante. Costa Rica segn reportes del peridico el financiero registra 188

carros por cada 1000 habitantes ubicando a nuestro pas en el sexto lugar a nivel

latinoamericano con ms carros.

Los carros son mquinas complejas, que integran una amplia gama de

mecanismos, que sumados cumplen funciones especficas. Entre los mecanismos

antes mencionados se encuentran sistemas de traccin, suspensin, control

elctrico, direccin, sistemas de frenado, motor, entre otros.

Los sistemas de traccin delantera y suspensin estn ligados de tal forma que

permiten la movilizacin en distintas direcciones y velocidades, adems de

amortiguar los impactos que el vehculo recibe durante su operacin.

En el presente documento se presenta, el desarrollo del diseo de un diferencial

para la parte delantera del vehculo, as como la respectiva suspensin.

Especficamente el diferencial diseado es de tipo no rgido, y la suspensin

presentada es de tipo McPherson.

El diseo pretende reforzar y aplicar los temas tratados durante el curso de

elementos de mquinas, as como fomentar la investigacin y creatividad por parte

de los miembros.

2. Objetivos

2.1. Objetivo general

Disear el sistema diferencial y de suspensin delantero de un automvil

4X4 desde el punto de vista conceptual.

2.2. Objetivos especficos

Aplicar los conocimientos sobe el diseo de elementos de mquinas

adquiridos durante el curso.

Justificar mediante un modelo matemtico los clculos de diseo

empleados.

Disear los planos de cada elemento que compone el diferencial.

Realizar los clculos de cada elemento que compone el diferencial.

Disear los planos de los diferentes elementos del sistema de suspensin.

Realizar los clculos de cada elemento que compone el sistema de

suspensin del automvil.

3. Consideraciones de diseo

El presente proyecto consiste en el diseo de un carro 4x4, de cuatro pasajeros,

dos adultos y dos nios, a partir de estas condiciones se establecen las siguientes

consideraciones.

El peso total del vehculo, considerando la carrocera y sus ocupantes se

estima en 2500 kg.

La mxima pendiente que el vehculo puede subir es de 30 grados

El tamao del motor es grande, se toma un motor de 200 Hp 6 cilindros.

El diferencial central debe distribuir en forma equitativa el torque para los

diferenciales delantero y trasero.

El carro debe ser capaz de arrancar en terrenos con bajo coeficientes de

friccin.

4. Diferencial

Si los ejes de las ruedas traseras (propulsin trasera) o delanteras, estuvieran

unidos directamente a la corona (del grupo pin-corona), necesariamente

tendran que dar ambas el mismo nmero de vueltas. Al tomar una curva la rueda

exterior describe un arco mayor que la interior; es decir, han de recorrer distancias

diferentes pero, como las vueltas que dan son las mismas y en el mismo tiempo,

forzosamente una de ellas arrastrar a la otra, que patinar sobre el pavimento.

Para evitarlo se recurre al diferencial, mecanismo que hace dar mayor nmero de

vueltas a la rueda que va por la parte exterior de la curva, que las del interior,

ajustndolas automticamente y manteniendo constante la suma de las vueltas

que dan ambas ruedas con relacin a las vueltas que llevaban antes de entrar en

la curva. Al desplazarse el vehculo en lnea recta, ambas ruedas motrices

recorren la misma distancia a la misma velocidad y en el mismo tiempo.

En el diferencial se distinguen las siguientes partes:

Carcasa

Pin de ataque

Corona

Caja de satlites

Diferencial o ncleo

Paliers

Bloqueo del diferencial

4.1. Carcasa

Su principal funcin es contener alineado a todo el mecanismo y est compuesta

por una parte central donde se ubican el pin, la corona y un conjunto de

engranajes denominados satlites y planetarios.

En la carcasa se fijan cada uno de los palieres y que componen el eje delantero

del vehculo. Para lograr la lubricacin de los elementos tiene capacidad

Figura 1. Muestra de una carcasa

Fuente: www. mecanicavirtual.org

En vehculos con traccin delantera, en el conjunto diferencial, el aceite se aloja

adentro de la caja y no tiene caoneras.

Para poder direccionar las ruedas en una curva, la transmisin desde el diferencial

se realiza por semiejes que cuentan en sus extremos con juntas giratorias, del

tipo cruceta u homocintica

4.2. Pin de ataque

Recibe el giro del eje de salida de la caja y lo transmite a la corona, con la que se

encuentra conectada de manera permanente.

Figura 2 Pin de ataque


4.3. Corona

Recibe el giro del pin de ataque y lo transforma en direccin til para la rotacin

de las ruedas motrices. Por su mayor tamao con relacin al pin, aumenta

considerablemente el torque y lo transmite a las ruedas a travs de los palieres o

semiejes.

Figura 3 Corona


4.4. Caja de satlites

Est fijada a la corona y en ella se encuentran alojados un conjunto de engranajes

llamados satlites y planetarios.

Figura 4 Caja de satlites


4.5. Ncleo

Conjunto de piones denominados satlites, que por lo general son cuatro, que

engranan con dos ruedas cnicas llamadas planetarios, para cumplir la funcin

de absorber las diferentes velocidades de cada rueda motriz que se produce al

doblar.

Figura 5 Ncleo


En el interior de cada planetario encontramos estras que le permiten conectar los

palieres o semiejes.

4.6. Paliers

Conectan el giro del diferencial, por medio de los planetarios con las ruedas.

Figura 5 Paliers


4.7. Bloqueo del diferencial

Este sistema fue creado para resolver los inconvenientes que se ocurren a partir

de la prdida de traccin en condiciones adversas del camino, cuando la

adherencia entre las ruedas matrices y el piso adquiere valores crticos (barro,

nieve, ripio, arena, etc.)

En estos casos, inevitablemente se produce el bloqueo del diferencial, por medio

de sistemas mecnicos que en forma manual o automtica tienen la capacidad de

desactivar la funcin del sistema diferencial y convertirlo en un eje nico que

transmite equitativamente en la fuerza motriz o torque hacia ambas ruedas.

El sistema autoblocante es el utilizado en vehculos livianos mientras que el

bloqueo manual del diferencial se usa en vehculos pesados, con combinaciones

para tracciones mltiples del tipo 4x4; 6x4; 6x6; etc.

Figura 6 Sistema de bloqueo


5. Suspensin

La suspensin en un automvil, camin o motocicleta, es el conjunto de elementos

que absorben las irregularidades del terreno por el que se circula para aumentar la

comodidad y el control del vehculo. El sistema de suspensin acta entre el

chasis y las ruedas, las cuales reciben de forma directa las irregularidades de la

superficie transitada.

Debe ser muy elstico, para permitir que las ruedas se adapten continuamente al

terreno sin separarse de l. Esta elasticidad en los elementos de unin produce

una serie de oscilaciones de intensidad decreciente que no cesan hasta que se ha

devuelto la energa absorbida, lo que coincide con la posicin de equilibrio de los

elementos en cuestin; dichas oscilaciones deben ser amortiguadas hasta un nivel

razonable que no ocasione molestias a los usuarios del vehculo.

Adems de las funciones antes mencionadas se le pueden agregar las siguientes:

Transmitir las fuerzas de aceleracin y de frenada entre los ejes y bastidor.

Resistir el par motor y de frenada

Resistir los efectos de las curvas

Conservar el ngulo de direccin en todo el recorrido

Conservar el paralelismo entre los ejes y la perpendicularidad del bastidor

Proporcionar una estabilidad adecuada al eje de balanceo

Aguantar la carga del vehculo.

En la actualidad las suspensiones que se emplean en los automviles

convencionales (con cuatro ruedas y dos ejes) son muy variadas y todas estn

basadas en unos pocos sistemas diferenciados. Estas se pueden distinguir segn

su funcionalidad. En casi todos los automviles el eje delantero es independiente,

ya que es el eje que soporta las ruedas con direccionalidad y es necesario que se

puedan girar. Tambin depende de si la transmisin se realiza a las ruedas

delanteras, traseras o a las cuatro ruedas.

Algunos de los componentes principales del sistema de suspensin son:

Resorte

Amortiguador

Componentes de apoyo

Barra estabilizadora

Rtulas

En las suspensiones simples se utilizan 3 elementos de unin, unos resortes de

acero elstico en forma de:

Ballesta

Resorte helicoidal

Barras de torsin

5.1. Ballesta

Conjunto de hojas o lminas de acero especial para muelles, unidas mediante

unas abrazaderas (2) que permiten el deslizamiento entre las hojas cuando stas

se deforman por el peso que soportan. La hoja superior (1), llamada hoja maestra,

va curvada en sus extremos formando unos ojos en los que se montan unos

casquillos de bronce (3) para su acoplamiento al soporte del bastidor por medio de

unos pernos o bulones

El nmero de hojas y el espesor de las mismas estn en funcin de la carga que

han de soportar. Funcionan como los muelles de suspensin, haciendo de enlace

entre el eje de las ruedas y el bastidor.

En algunos vehculos, sobre todo en camiones, adems de servir de elementos de

empuje, absorben con su deformacin longitudinal la reaccin en la propulsin

Figura 2 Muestra de una ballesta

Fuente:http://www.taringa.net/posts/autos-motos/16153368/Suspension-1era-

parte.html

Figura 3 Unin de la ballesta al bastidor y eje de rueda.


parte.html

5.2. Resorte helicoidal

Estos elementos mecnicos se utilizan modernamente en casi todos los

automviles en sustitucin de las ballestas, pues tienen la ventaja de conseguir

una elasticidad blanda debido al gran recorrido del resorte sin apenas ocupar

espacio ni sumar peso.

Consisten en un arrollamiento helicoidal de acero elstico formado con hilo de

dimetro variable (de 10 a 15 mm); este dimetro vara en funcin de la carga que

tienen que soportar; las ltimas espiras son planas para facilitar el asiento del

muelle sobre sus bases de apoyo figura siguiente.

Figura 4 Diagrama de un resorte


parte.html

No pueden transmitir esfuerzos laterales, y requieren, por tanto, en su montaje

bielas de empuje lateral y transversal para la absorcin de las reacciones de la

rueda.

La flexibilidad de los muelles est en funcin del nmero de espiras, del dimetro

del resorte, del paso entre espiras, del espesor o dimetro del hilo, y de las

caractersticas del material. Se puede conseguir muelles con una flexibilidad

progresiva, utilizando diferentes dimetros de enrollado por medio de muelles

helicoidales cnicos (figura 4), por medio de muelles con paso entre espiras

variable o disponiendo de muelles adicionales.

Figura 5 Curva caracterstica de un resorte a compresin


parte.html

Usando muelles adicionales se puede obtener una suspensin de flexibilidad

variable en el vehculo

Figura 6 Diagrama de un resorte con resorte auxiliar


parte.html

5.3. Barra de torsin

Este tipo de suspensin independiente, est basado en el principio de que si a una

varilla de acero elstico sujeta por uno de sus extremos se le aplica por el otro un

esfuerzo de torsin, esta varilla tender a retorcerse, volviendo a su forma

primitiva por su elasticidad cuando cesa el esfuerzo de torsin.

Figura 7 Diagrama simple de una barra de torsin


parte.html

El montaje de estas barras sobre el vehculo se realiza (figura 7) fijando uno de

sus extremos al chasis o carrocera, de forma que no pueda girar en su soporte, y

en el otro extremo se coloca una palanca solidaria a la barra unida en su extremo

libre al eje de la rueda. Cuando sta suba o baje por efecto de las desigualdades

del terreno, se producir en la barra un esfuerzo de torsin cuya deformacin

elstica permite el movimiento de la rueda.

Las barras de torsin se pueden disponer paralelamente al eje longitudinal del

bastidor o tambin transversalmente a lo largo del bastidor

Figura 8 Posicin de la barra de torsin en el automvil


parte.html

5.4. Barra estabilizadora

Cuando un vehculo toma una curva, por la accin de la fuerza centrfuga se carga

el peso del coche sobre las ruedas exteriores, con lo cual la carrocera tiende a

inclinarse hacia ese lado con peligro de vuelco y la correspondiente molestia para

sus ocupantes.

Para evitar estos inconvenientes se montan sobre los ejes delantero y trasero las

barras estabilizadores, que consisten esencialmente en una barra de acero

elstico cuyos extremos se fijan a los soportes de suspensin de las ruedas; de

esta forma, al tomar una curva, como una de las ruedas tiende a bajar y la otra a

subir, se crea un par de torsin en la barra que absorbe el esfuerzo y se opone a

que esto ocurra, e impide, por tanto, que la carrocera se incline a un lado,

mantenindola estable. El mismo efecto se produce cuando una de las ruedas

encuentra un bache u obstculo, creando, al bajar o subir la rueda, un par de

torsin en la barra que hace que la carrocera se mantenga en posicin horizontal.

En caso de circular en lnea recta y en condiciones normales la accin de la barra

es nula.

Figura 9 Principio de funcionamiento de la barra estabilizadora


parte.html

Figura 10 Montaje de la barra estabilizadora


parte.html

5.5. Silentblocks y cojinetes elsticos

Son aislantes de caucho u otro material elastmero que se encargan de

amortiguar las reacciones en los apoyos de la suspensin. Su misin es

amortiguar los golpes existentes entre dos elementos en los que existe

movimiento. Suelen montarse a presin o atornillados. Su sustitucin debe

realizarse cuando el caucho est deteriorado o exista holgura en la unin.

Los cojinetes elsticos son elemento de caucho que permite la unin de los

componentes de la suspensin facilitando un pequeo desplazamiento. Su

montaje suele realizarse mediante bridas o casquillos elsticos. Estos cojinetes

son muy utilizados para el montaje de las barras estabilizadoras

Figura 11 Diagrama de cojinete elstico


parte.html

5.6. Rtulas

Las rtulas constituyen un elemento de unin y fijacin de la suspensin y de la

direccin, que permite pivotear y girar manteniendo la geometra de las

ruedas. La fijacin de las rtulas se realiza mediante tornillos o roscados

exteriores o interiores.

Figura 12 Muestra de una rtula


parte.html

5.7. Mangueta y buje

Es una pieza fabricada con acero o aleaciones que une el buje de la rueda y la

rueda a los elementos de la suspensin, tirantes, trapecios, amortiguador, etc.

La mangueta se disea teniendo en cuenta las caractersticas geomtricas del

vehculo. En el interior del buje se montan los rodamientos o cojinetes que

garantizan el giro de la rueda.

Figura 13 Disposicin bsica de mangueta y buje


parte.html

5.8. Trapecios o brazos de suspensin

Son brazos articulados fabricados en fundicin o en chapa de acero embutida que

soportan al vehculo a travs de la suspensin. Unen la mangueta y su buje

mediante elementos elsticos (silentblocks) y elementos de guiado (rtulas) al

vehculo soportando los esfuerzos generados por este en su funcionamiento

Figura 14 Brazo de suspensin


parte.html

5.9. Tirantes de suspensin

Son brazos de acero longitudinales o transversales situados entre la carrocera y

la mangueta o trapecio que sirven como sujecin de estos y facilitan su guiado.

Absorben los desplazamientos y esfuerzos de los elementos de la suspensin a

travs de los silentblocks o cojinetes elsticos montados en sus extremos.

5.10. Topes de suspensin

Estos topes pueden ser elsticos o semirgidos en forma de taco o en forma de

casquillo. Su funcin es servir de tope para el conjunto de la suspensin, de

manera que en una compresin excesiva esta no se detiene. El montaje de este

elemento es muy diverso dependiendo de la forma del taco. Por ejemplo, en las

suspensiones McPherson se monta en el interior del vstago del amortiguador,

mientras que en las suspensiones por ballesta se suele montar anclado en la

carrocera.

5.11. Amortiguadores

Son los encargados de absorber las vibraciones de los elementos elsticos

(muelles, ballestas, barras de torsin), convirtiendo en calor la energa generada

por las oscilaciones.

Cuando la rueda encuentra un obstculo o bache, el muelle se comprime o se

estira, recogiendo la energa mecnica producida por el choque, energa que

devuelve a continuacin, por efecto de su elasticidad, rebotando sobre la

carrocera. Este rebote en forma de vibracin es el que tiene que frenar el

amortiguador, recogiendo, en primer lugar, el efecto de compresin y luego el de

reaccin del muelle, actuando de freno en ambos sentidos; por esta razn reciben

el nombre de los amortiguadores de doble efecto.

5.12. Distintos modelos de suspensin mecnica

Segn el tipo de elementos empleados y la forma de montajes de los mismos,

existen varios sistemas de suspensin, todos ellos basados en el mismo principio

de funcionamiento. Constan de un sistema elstico, amortiguacin y barra

estabilizadora independientes para cada uno de los ejes del vehculo

Las primeras suspensiones estaban formadas por un "eje rgido" en cuyos

extremos se montaban las ruedas. Como consecuencia de ello, todo el

movimiento que afecta a una rueda se transmite a la otra del mismo eje. En la

figura inferior podemos ver como al elevarse una rueda, se extiende su inclinacin

al eje y de este a la otra rueda. Como el eje va fijado directamente sobre el

bastidor, la inclinacin se transmite a todo el vehculo.

Este montaje es muy resistente y ms econmico de fabricar, pero tiene la

desventaja de ser poco cmodo para los pasajeros y una menor seguridad

Figura 15 Suspensin rgida


parte.html

El sistema de suspensin independiente tiene una estructura y montaje elstico

independiente que no se encuentra unido a otras ruedas. El movimiento de una

rueda no es transmitido a la otra rueda y la carrocera no se ve tan afectada.

Figura 16 Suspensin independiente


parte.html

Las suspensiones se pueden clasificar en tres grupos:

5.12.1. Suspensiones rgidas

Esta suspensin tiene unidas las ruedas mediante un eje rgido formando un

conjunto. Presenta el inconveniente de que al estar unidas ambas ruedas, las

vibraciones producidas por la accin de las irregularidades del pavimento, se

transmiten de un lado al otro del eje. Adems el peso de las masas no

suspendidas aumenta notablemente debido al peso del eje rgido y al peso del

grupo cnico diferencial en los vehculos de traccin trasera.

Figura 17 Ejemplo de suspensin rgida


parte.html

5.12.2. Suspensin semirrgida

Estas suspensiones son muy parecidas a las anteriores su diferencia principal es

que las ruedas estn unidas entre s como en el eje rgido pero transmitiendo de

una forma parcial las oscilaciones que reciben de las irregularidades del terreno.

En cualquier caso aunque la suspensin no es rgida total tampoco es

independiente. La funcin motriz se separa de la funcin de suspensin y de

guiado o lo que es lo mismo el diferencial se une al bastidor, no es soportado por

la suspensin.

Figura 18 Esquema de un tipo de suspensin semirrgida


parte.html

5.12.3. Suspensin independiente

Actualmente la suspensin independiente a las cuatro ruedas se va utilizando

cada vez ms debido a que es la ms ptima desde el punto de vista de confort y

estabilidad al reducir de forma independiente las oscilaciones generadas por el

pavimento sin transmitirlas de una rueda a otra del mismo eje. La principal ventaja

aadida de la suspensin independiente es que posee menor peso no suspendido

que otros tipos de suspensin por lo que las acciones transmitidas al chasis son

de menor magnitud. El diseo de este tipo de suspensin deber garantizar que

las variaciones de cada de rueda y ancho de ruedas en las ruedas directrices

debern ser pequeas para conseguir una direccin segura del vehculo.

Dentro de los distintos modelos que hay de este tipo de suspensin se

encuentran:

Suspensin de eje oscilante: La peculiaridad de este sistema que se

muestra en la figura x es que el elemento de rodadura 1 y el semieje 2 son

solidarios (salvo el giro de la rueda), de forma que el conjunto oscila

alrededor de una articulacin 3 prxima al plano medio longitudinal del

vehculo. Este tipo de suspensin no se puede usar como eje directriz

puesto que en el movimiento oscilatorio de los semiejes se altera

notablemente la cada de las ruedas en las curvas. Completan el sistema

de suspensin dos conjuntos muelle-amortiguador telescpico 4.

Figura 19 Esquema de una suspensin de eje oscilante.


parte.html

Suspensin de brazos tirados: Se caracteriza por tener dos elementos

soporte o "brazos" en disposicin longitudinal que van unidos por un

extremo al bastidor y por el otro a la mangueta de la rueda. Si el eje es de

traccin, el grupo diferencial va anclado al bastidor. En cualquier caso las

ruedas son tiradas o arrastradas por los brazos longitudinales que pivotan

en el anclaje de la carrocera. Este tipo de suspensin apenas produce

variaciones de va, cada o avance de la rueda.

Figura 20 Sistema de brazo arrastrado


parte.html

Suspensin McPherson: Este sistema de suspensin creada por Earle S.

McPherson de General Motors en 1947. El sistema de suspensin

independiente McPherson es uno de los ms utilizados en el tren delantero

aunque se puede montar igualmente en el trasero.

Este sistema es uno de los diseos de suspensin independiente ms

sencillos y ms utilizados en las ruedas directrices, por su sencillez de

fabricacin y mantenimiento, el coste de produccin y el poco espacio que

ocupa. Su mecanismo forma un tringulo articulado formado por el brazo

inferior, bastidor y muelle-amortiguador.

sta combina un amortiguador con un resorte en una misma unidad. Esto

otorga una suspensin ms compacta y ligera

Figura 21 Despiece de una suspensin tipo McPherson.


La figura anterior muestra un modelo detallado de una suspensin

McPherson con brazo inferior y barra estabilizadora.

La mangueta 1 de la rueda va unida al cubo 2 permitiendo el giro de ste

mediante un rodamiento 3. A su vez la mangueta va unida al bastidor a

travs de dos elementos caractersticos de toda suspensin McPherson:

El brazo inferior 4 que va unido a la mangueta 1 mediante una unin

elstica A (rtula) y unido al bastidor mediante un casquillo B.

El conjunto muelle helicoidal-amortiguador. El amortiguador 5 va

anclado de forma fija a la parte superior de la mangueta 1 y el muelle 6

es concntrico al amortiguador y est sujeto mediante dos copelas

superior C e inferior D. El amortiguador est unido al bastidor por su

parte superior mediante un cojinete de agujas 7 y una placa de fijacin

8. En las ruedas delanteras se hace necesaria la existencia de este

cojinete axial ya que el amortiguador al ser solidario a la mangueta gira

con sta al actuar la direccin

La suspensin tipo McPherson forma un mecanismo de tipo tringulo

articulado formado por el brazo inferior 4, el conjunto muelle-amortiguador y

el propio chasis. El lado del tringulo que corresponde al muelle-

amortiguador es de compresin libre por lo que slo tiene un nico grado de

libertad: la traccin o compresin de los elementos elsticos y

amortiguador. Al transmitirse a travs del muelle-amortiguador todos los

esfuerzos al chasis es necesario un dimensionado ms rgido de la

carrocera en la zona de apoyo de la placa de fijacin 8.

Como elementos complementarios a esta suspensin se encuentra la barra

estabilizadora 9 unida al brazo inferior 4 mediante una bieleta 10 y al

bastidor mediante un casquillo E, y en este caso un tirante de avance 11.

Falsa McPherson: Actualmente existen mltiples variantes en cuanto a la

sustitucin del tirante inferior 4 que puede ser sustituida por un tringulo

inferior, y una doble bieleta transversal con tirante longitudinal. A estos

ltimos sistemas tambin se les ha denominado "falsa" McPherson, aunque

en cualquier caso todos ellos utilizan el amortiguador como elemento de

gua y mantienen la estructura de tringulo articulado.

Este tipo de suspensin absorbe los esfuerzos longitudinales con la propia

disposicin del anclaje del elemento que sustituye al brazo inferior.

En la figura siguiente se muestra un esquema McPherson donde se ha

sustituido el brazo inferior por un tringulo 1 que va unido a la mangueta 2

mediante una rtula A y a la cuna del motor 3 mediante dos casquillos C y

D. El resto de los componentes es similar al de una McPherson

convencional

Figura 22 Despiece de una suspensin falsa McPherson


parte.html

Suspensin de paralelogramo deformable: El paralelogramo est

formado por un brazo superior 2 y otro inferior 1 que estn unidos al chasis

a travs de unos pivotes, cerrando el paralelogramo a un lado el propio

chasis y al otro la propia mangueta 7 de la rueda. La mangueta est

articulada con los brazos mediante rtulas esfricas 4 que permiten la

orientacin de la rueda. Los elementos elsticos y amortiguador coaxiales 5

son de tipo resorte helicoidal e hidrulico telescpico respectivamente y

estn unidos por su parte inferior al brazo inferior y por su parte superior al

bastidor. Completan el sistema unos topes 6 que evitan que el brazo inferior

suba lo suficiente como para sobrepasar el lmite elstico del muelle y un

estabilizador lateral 8 que va anclado al brazo inferior 1.

Figura 23 Suspensin de paralelogramo deformable


parte.html

Suspensin Multilink: Las suspensiones multilink se basan en el mismo

concepto bsico que sus precursoras las suspensiones de paralelogramo

deformable, es decir, el paralelogramo est formado por dos brazos

transversales, la mangueta de la rueda y el propio bastidor. La diferencia

fundamental que aportan estas nuevas suspensiones es que los elementos

gua de la suspensin multibrazo pueden tener anclajes elsticos mediante

manguitos de goma. Gracias a esta variante las multibrazo permiten

modificar tanto los parmetros fundamentales de la rueda, como la cada o

la convergencia, de la forma ms apropiada de cara a la estabilidad en las

distintas situaciones de uso del automvil.

Las suspensiones multibrazo se pueden clasificar en dos grupos

fundamentales:

Suspensiones multibrazo con elementos de gua transversales u oblicuos

con funcionamiento similar al de las suspensiones de paralelogramo

deformable.

Suspensiones multibrazo que adems disponen de brazos de gua

longitudinal con un funcionamiento que recuerda a los sistemas de

suspensin de ruedas tiradas por brazos longitudinales

La suspensin delantera consta de un brazo superior 1 que va unido a una

mangueta 2 larga y curvada mediante un buje de articulacin A y un brazo inferior

transversal 3 que va unido a la mangueta por una rtula doble B y al bastidor por

un casquillo C que asla de las vibraciones. Cierra el paralelogramo deformable el

propio bastidor como en cualquier suspensin de este tipo.

Esta suspensin dispone adems de un tercer brazo 4 que hace de tirante

longitudinal y que est unido al bastidor y mangueta de la misma forma que el

brazo inferior transversal 3.

Figura 24 Esquema de una suspensin multibrazo delantera


parte.html

6. Resultados

En esta seccin se presentan los clculos de la corona y del pin de ataque del

diferencial delantero del auto diseado. Para ello se tom como referencia el

captulo 14 del libro de Diseo en Ingeniera Mecnica (Budynas, R; Nisbett, Keith,

2012).

Primero los parmetros del motor utilizado se muestran en la tabla 1:

Parmetro Valor Unidad

Potencia 200 Hp

Torque 376 Nm

Velocidad 3800 rpm

Tabla 1. Datos del motor de Toyota Fortuner

Fuente: Catlogo de Toyota

A partir de los datos de potencia, y velocidad (con una potencia de 200 hp de

acuerdo con eso) se calcularon las especificaciones para el pin de ataque y con

ello las especificaciones de la corona en cuanto a relacin de dientes, material,

dureza, tratamiento, dimetros y dimensiones necesarias de acuerdo con la

necesidad fsica, mecnica y elctrica del auto. Lo anterior se observa en la tabla

1, tabla 2, tabla 3 y tabla 4.

Tabla 2. Parmetros del pin de ataque

Fuente: Propia


del pin de ataque.

Fuente: Propia.

Asimismo, es importante saber el tipo de material, su tratamiento y dems,

mismos datos que se muestran en la tabla 4.

PARMETROS DEL MATERIAL DE LOS ENGRANES

Material seleccionado Acero AISI 1020

Tratamiento Cementado

Dureza (HRC) 57

Dureza (HB) 601

Tabla 4. Parmetros del material del pin de ataque y de la corona.

Fuente: Ortiz, A.Dureza efectiva de una capa cementada de acero bajo

contenido de carbono. Colombia.

Tabla 5. Parmetros de la corona.

Fuente: Propia


de la corona.

Fuente: Propia.

Tabla 7. Parmetros de los planetarios

Fuente: Propia


de los planetarios.

Tabla 9. Parmetros de los satlites

Fuente: Propia

Tabla 10. Clculos de factores de seguridad y dems parmetros

geomtricos de los satlites. Fuente: Propia.

Tabla 11. Clculo de factor de seguridad Sines y Frecuencia de operacin en

los resortes de suspensin, con una distribucin de carga normal de 0.25 en

cada llanta. Fuente: Propia.


los resortes de suspensin, con una distribucin de carga crtica del 70% en

las llantas delanteras, de 0.35 en cada llanta delantera. Fuente: Propia.

El siguiente anlisis es cuando el auto, suponiendo una situacin an ms crtica

(que las dos llantas de un mismo lado queden suspendidos y que en las otras dos

llantas se encuentre distribuido todo el peso en una proporcin de 50 % en cada

llanta.


los resortes de suspensin, con una distribucin de carga crtica del 100%

en dos llantas de un mismo lado, de 0.50 en cada llanta del mismo lado.

Fuente: Propia.

Pero se observa que el factor de seguridad resulta ser menor de 1 manteniendo el

d=12 mm y el D=144 mm a pesar de que la frecuencia de operacin resulta ser

confortable para el usuario. Por lo que se cambia de d=12mm a d=14 mm y D=168

mm. Esto se observa la siguiente tabla con los factores de seguridad:


los resortes de suspensin, con una distribucin de carga crtica del 100%

en dos llantas de un mismo lado, de 0.50 en cada llanta del mismo lado con

d=14 mm. Fuente: Propia.

En la siguiente figura se observa que la frecuencia de operacin obtenida para

d=14mm (dato cambiado) se considera adecuada para el cliente:

Figura 25. Periodo de oscilacin a partir de la compresin de los

amortiguadores en esttico, junto con la sensacin producida por los

ocupantes.

Ahora suponiendo que el auto diseado da vuelta en curva, la llanta interna a la

curva de acuerdo con la fsica, debe ir ms lento mientras que la llanta externa

deber tener una velocidad mayor con el fin de recorrer al mismo tiempo ambas

llantas distancias distintas, por lo que suponiendo que el radio uno de la curva es

de 6.54 m (tomando en cuenta los 1.54 m de la trocha entre llanta y llanta

delantera) y el radio dos de la curva es suponiendo un valor de 5 m, entonces la

diferencia de velocidad es:

Quiere decir que la diferencia es de 15.4 % por cada rueda, entonces:

Entonces los factores de seguridad para el planetario externo que es el que gira

ms rpido:

Tabla 15. Clculos de factores de seguridad y dems parmetros

geomtricos de los planetarios cuando el auto dobla en curva. Fuente:

Propia.

Tabla 16. Condiciones cuando el auto gira en curva. Fuente: Propia.

Tabla 17. Factores de seguridad de flexin y desgaste de los satlites

cuando el auto gira. Fuente: Propia.

7. Seleccin de partes del diferencial

Motor

El motor seleccionado es de un Toyota FORTUNER 4x4 A/T. Con un torque de

376 Nm, velocidad de 3800 rpm, seis cilindros.

Pin de ataque

Se seleccion una relacin de dientes de 5:1 puesto que de acuerdo con el tipo de

auto, se desea una salida de torque alta, puesto que es un auto 4x4. El pin de

ataque tendr 12 dientes, con un paso diametral de 4 dienets/in. Este es un

engrane helicoidal. El material elegido fue Acero AISI 1020, dureza HB de 601,

con un tratamiento termoqumico de cementado con el fin de que tuviera una

dureza interna de tal forma que el material se desgastara superficialmente y el

pin no falle prematuramente.

Corona

Debido a que la relacin seleccionada fue de 5:1, la corona tendr 60 dientes. El

material ser el mismo que el del pin de ataque, un AISI 1020 con tratamiento

termoqumico de cementado. La dureza HB es de 601.

Planetarios

Comnmente los planetarios con respecto a los satlites, tienen una relacin de

dientes de 2:1, por lo que los diseadores de este proyecto eligen esta relacin.

Los planetarios contarn con 20 dientes, con un paso diametral de 4 dientes/in. El

material del que estarn fabricados ser el mismo que la corona y el pin de

ataque, ser de AISI 1020 con un tratamiento termoqumico de cementado y un

tratamiento superficial de temple.

Satlites

Los satlites, debido a la relacin de dientes seleccionada, tendrn 10 dientes. El

material ser el mismo un AISI 1020 con el mismo tratamiento que los engranes y

pin mencionados.

Resortes

Para la suspensin del auto diseado, se selecciona de acuerdo con la Tabla 10-

3, pgina 502 del libro (Budynas & Nisbett, 2012), de cromo-silicio debido a que

esta aleacin constituye un material excelente para fabricar resortes sometidos a

esfuerzos elevados y cargas de impacto que requieren larga vida. Este material se

utiliza hasta temperaturas de 250C la cual es acorde con la temperatura de

trabajo a la que puede llegar el diferencial. Es disponible de 0.8 mm a 12 mm lo

cual tambin concuerda con el dimetro seleccionado del resorte de 12 mm (se

puede observar en la tabla 7 y en la tabla 8, con una masa de 3.62 kg.

Elementos estandarizados

Proveedor: Rosco

Figura 26. Base del amortiguador (Derecho)

k-90236. Fuente: www.rosco.com.mx

Figura 27. Base del amortiguador (Izquierdo)

k-90237. Fuente: www.rosco.com.mx

Figura 28. Terminal exterior

ES-476-L. Fuente: www.rosco.com.mx

Figura 29. Terminal interior

ES-358-L. Fuente: www.rosco.com.mx

Figura 30. Cople de Terminal

ES-500. Fuente: www.rosco.com.mx

Figura 31. Bujes de la barra tensora 1406046.

Fuente: www.rosco.com.mx

Figura 32. Goma de barra estabilizadora ES-8.

Fuente: www.rosco.com.mx

Figura 33. Barra tensora DS-1147. Fuente: www.rosco.com.mx

Amortiguador

Se selecciona un amortiguador para el lado izquierdo cdigo 171371L del

fabricante (MONROE Amortiguadores y Struts, 2013)

Figura 34. Amortiguador lado izquierdo.

Se selecciona un amortiguador para el lado derecho cdigo 171371R del

fabricante (MONROE Amortiguadores y Struts, 2013).

Figura 35. Amortiguador lado derecho.

Rtulas

Se seleccionan las rtulas del fabricante (MONROE Amortiguadores y Struts,

2013), con nmero de pieza 907922.

Figura 36. Rtulas.

Llanta

Del fabricante (Equivalencias, s.f.), se selecciona una llanta 235/70R15, con las siguientes caractersticas Dimetro llanta: 381 mm. Altura perfil: 165 mm.

Figura 37. Llanta 235/70R15. Fuente: (Equivalencias, s.f.)

Rodamientos seleccionados

De acuerdo con los datos de fuerza crtica cuando el auto baja en pendiente de

30 , la fuerza en las ruedas da: 6148.87 N, por lo que el rodamiento seleccionado

es:

Tabla 18. Rodamientos de una hilera de rodillos cilndricos. Fuente:

http://www.skf.com/co/products/bearings-units-housings/roller-

bearings/cylindrical-roller-bearings/single-row/index.html

8. Manual de mantenimiento

El mantenimiento de un activo, en este caso un automvil, es bsico en su ciclo de

vida, para as de esta manera alargar su periodo de funcionamiento y que siga

haciendo correctamente lo que se quiere que haga, en una operacin eficiente,

reduciendo el tiempo de parada para repararlo, es por esto que se debe contar

con un plan correcto de mantenimiento, ya sea aplicando uno de los tres tipos de

mantenimiento que existen.

Mantenimiento preventivo: Consiste en inspeccionar peridicamente los

equipos y diagnosticar posibles fallas en su etapa inicial, para as corregirlas en el

momento oportuno y as poder programar de una serie de reparaciones,

inspecciones, limpieza, lubricaciones entre otras acciones, que se llevan a cabo

por horas de trabajo, cantidad de kilmetros recorridos condiciones de trabajo a

las cuales est expuesto el automvil, con el fin de evitar que presente averas y

me baje sus niveles de eficiencia y de tiempo de parada.

Con un buen mantenimiento preventivo ayuda a aumentar niveles de confiabilidad,

adems me genera una mayor duracin de todos los componente, y menor costo

de reparacin en algunas ocasiones.

Mantenimiento predictivo: Se caracteriza por efectuar mediciones peridicas,

que nos ayude a detectar el origen o causa de alguna falla que presente el

vehculo afectando su normal funcionamiento, estas fallas son detectadas por

equipos de control.

Mantenimiento correctivo: Es realizado cuando el activo se daa o sea se

realiza una reparacin, esta accin es realizada para solucionar el problema

nicamente.

Las posibles causas para llegar a aplicar este tipo de mantenimiento son:

Poca importancia a la disminucin del rendimiento del vehculo.

Indiferencia ante la aparicin de sonidos extraos en el funcionamiento de

todos y cada uno de los sistemas del vehculo.

Necesidad del uso del vehculo.

Adems vale la pena resaltar el mantenimiento correctivo impide el diagnstico

exacto de las causas que provocaron la falla, pues se desconoce si fue por mal

trato, desgaste natural o consecuencia de otra falla presente en alguna otra parte

del vehculo.

A continuacin se detallan aspectos a tomar en cuenta a la hora de mantener un

diferencial y un sistema de suspensin en ptimas condiciones para alargar su

vida til.

Revisin visual del vehculo

Una revisin visual del compartimiento del motor en busca de fugas de fluidos o

cables en mal estado puede significar en el ahorro de un poco de dinero. Siempre

se debe de revisar que los niveles de fluidos estn en su nivel adecuado, como el

aceite de motor, el lquido de frenos, el lquido hidrulico, el nivel de cido de la

batera, etc.

Inspecciones del diferencial

El aceite lleva un aceite especfico de acuerdo a su diseo y uso, se debe de leer

esta informacin del manual del fabricante.

Evitar cruzar o transitar por agua que llega o pasa encima del eje del auto. Cuando

esto no es posible evitar, lleve el auto en cuanto se pueda a un lugar para revisar

el aceite de la caja y la corona. Si entr agua estar lechoso o el nivel ser ms

alto, por lo tanto debe cambiar el aceite de inmediato

No utilice aceites baratos, obsoletos o aquellos que no cumplan normas. Hay

muchos aceites para cajas y coronas que solamente cumplen con el API GL-1,

estos no ofrecen ninguna proteccin.

Los diferenciales de varias camionetas y otras de gran capacidad requieren aceite

sinttico de viscosidad SAE 75W-140 para su mxima vida til. Frecuentemente

estos tambin requieren el aditivo LSD

Los diferenciales con sistema de bloqueo LSD se recomienda aceite con aditivos

para LSD.

El aceite del diferencial debera ser revisado en cada cambio de aceite de motor

y/o cuando pasa por agua a la altura del centro de las ruedas.

Agua puede entrar por su respiradero y causar corrosin y desgaste. El aceite del

diferencial normalmente requiere un cambio entre 20000 y 40000 km. Si transita

con frecuencia por ros o agua, puede considerar la adaptacin de una manguera

de respiracin que se instala ms alta que el nivel del agua.

9. Bibliografa

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Diseño de un diferencial no rígido con sistema multilink con suspensión tijereta tipo Mc Pherson