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I
UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
Modelación y construcción de un vehículo todo terreno
Gustavo Andrés Hernández Osorio 2004
II
UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
Modelación y construcción de un vehículo todo terreno
“Trabajo de titulación presentado en conformidad a los requisitos para obtener el Titulo de Ingeniero Civil en Mecánica”
Profesor Guía: Sr. Ramón Francisco Hernández Pavez.
Gustavo Andrés Hernández Osorio
2004
III
Resumen
El propósito de este trabajo de titulación fue modelar y construir un vehículo
todo terreno, capaz de transitar por terrenos fuera de carretera, subir pendientes
elevadas, lograr aceleraciones significativas y utilizar materiales en desuso. Una vez
construido el vehículo, se logró verificar que éste pudo subir pendientes de 30º y
alcanzar velocidades de 50 km/h, en 17 segundos, en pista plana.
Para apoyar su modelación se utilizaron herramientas computacionales
(software) como son el Solid Edge, Algor, Mathcad, y Microsoft Project, buscando
construir un vehículo con las características indicadas y con la máxima seguridad
para su piloto.
El vehículo construido se clasifica como un todo terreno, con chasis de acero
y motor de combustión interna de cuatro tiempos. Los cálculos teóricos se realizaron
computacionalmente con el software Mathcad y Algor. Los factores de seguridad
determinados fueron aceptables para este tipo de vehículo y se encontró una
coincidencia en un noventa y cinco por ciento entre los valores teóricos y los
entregados por el Algor para una de las piezas críticas.
Finalizada esta etapa de cálculos y modelación, se procedió a la construcción
del vehículo mismo, que fue sometido a diferentes pruebas, comprobándose, en
general, que éste cumplía con las características planteadas en los objetivos.
Finalmente, se realizó un análisis de costos que permitió confirmar el objetivo
planteado de construir un vehículo todo terreno a un bajo costo, utilizando materiales
en desuso.
IV
INDICE Pag. CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN…………………………………………………. 1 1.1.- Antecedentes generales…………………………………………………. 1 1.2.- Motivación………………………………………………………………….. 3 1.3.- Objetivos……………………………………………………………………. 4 CAPÍTULO 2 SELECCIÓN DEL MODELO DE VEHÍCULO………………… 5 2.1.- Búsqueda de información……………………………………………….. 5 2.2.- Información necesaria para la modelación....................................... 6 2.3.-Selección del modelo a construir y análisis de piezas………………. 6 2.4.- Características Generales……………………………………………….. 29 CAPÍTULO 3 ANÁLISIS COMPUTACIONAL DEL MODELO…………….. 32 3.1.-Uso de programas computacionales para el diseño………………… 32 3.2.-Solid Edge V10……………………………………………………………… 33 3.3.-Modelación de partes y desarrollo de piezas en ambiente tridimensional………………..…………………………………………….. 34 3.4.-Ensamblaje del vehículo en Solid Edge V10 …………………………. 34 3.5.-Simulación virtual del vehículo en Solid Edge V10………………… 41 CAPÍTULO 4 CONSTRUCCIÓN ………………………………………………. 44 4.1.-Crónica de la construcción …………….………………………………… 44 4.2.- Fotos de la construcción……………………………………………….… 47 CAPÍTULO 5 ANÁLISIS DE COSTOS……………………………………….. 57 CAPÍTULO 6 CONSIDERACIONES GENERALES Y CONCLUSIONES…. 60 BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………..…. 62
V
APÉNDICES Pag. APÉNDICE A.................................................................................... ............. 65
• Determinación de piezas criticas • Análisis de diagramas de cuerpo libre aplicados al vehículo,
en situaciones límites (fuerzas de impacto) • Verificación del factor de seguridad ‘n’ para cada pieza critica • Cálculos realizados manual y computacionalmente
APÉNDICE B……………………………………………………………………… 87
• Descripción del funcionamiento de mecanismos involucrados • Carburador de vacío constante • Bomba de aceite y válvula de descarga • El motor de arranque • Bomba de agua • El relé de arranque • El embrague
APÉNDICE C……………………………………………………………………… 98
• Relación final de transmisión APÉNDICE D……………………………………………………………………… 100
• Monoshock y Precarga del muelle APÉNDICE E……………………………………………………………………… 101
• Planos de diseño APÉNDICE F……………………………………………………………………… 108
• Funcionamiento del frenado APÉNDICE G……………………………………………………………………… 111
• Dimencionamiento del motor y ecuaciones especiales para la potencia
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CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN
1.1.- Antecedentes generales
Terminada la segunda guerra Mundial, los jeeps y el Volkswagen (VW)
modelo “escarabajo” se hicieron muy populares. Paralelamente, se inició la práctica
del surf y de otras actividades en la playa. Fue entonces cuando, en la playa de
Pismo, se hizo conocido el primero de los vehículos de uso civil apto para transitar
por la arena. Los primeros vehículos estaban accionados por motores V8, eran poco
maniobrables y pesados; así que Bruce Meyers (Hermanos Meyers) diseñó una
versión ligera que sería la diversión en la playa y en todo terreno (ref. 9). Después de
modificar un furgón Kombi, sin buenos resultados, Bruce utilizó su habilidad para
diseñar la primera carrocería de fibra de vidrio para un Buggy.
Hermanos Meyers
Los primeros 12 “Buggies” producidos eran cuerpos monocasco, que tenían su
propio marco integral equipado con motor de un VW. Estos coches eran de alto costo
y difíciles de producir. Es así que Bruce rediseñó el cuerpo para que calzase en un
chasis escarabajo VW.
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El Meyers Manx
El Meyers Manx que fue el nombre del modelo rediseñado fue muy popular
por su capacidad de saltar y sortear dunas. Bruce intentó patentar su adaptación,
pero no pudo convencer a las entidades encargadas de otorgar patentes comerciales
de que él pudiese fabricar algo digno de una patente.
El Meyers Manx se manejaba y comportaba mejor que cualquier otro vehículo
y era mucho más divertido de conducir; en comparación con los que fabricaba la
marca Jeep, en lo que a vehículos todo terreno se refiere. Mas tarde, algunos
vehículos con características similares al Meyers Manx fueron producidos en serie
por distintas empresas para usos específicos, como los vehículos para los salvavidas
y guardabosques del condado de Los Ángeles.
Dentro de esta gran diversidad de “razas” nace el concepto de vehículo ‘todo
terreno’, bajo cuyo alero se encuentran las motocicletas, motos de 4 ruedas o
“quads” y los “buggies”.
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Todos estos vehículos son de un elevado costo, factor muy importante en su
construcción y fuera del alcance de estudiantes y personas de clase media. Por tal
motivo, el autor ha tenido presente la disponibilidad de materiales en desuso o
reciclables, de bajo costo para la construcción de un vehículo del tipo todo terreno,
contribuyendo además con esto a cuidar el medio ambiente.
Se considera, en su desarrollo, no sólo condiciones de seguridad, sino
también la comodidad para el conductor, tomando en cuenta siempre los aspectos
ergonométricos que faciliten su conducción.
En la construcción y verificación del comportamiento de un vehículo todo
terreno, se utilizarán los conocimientos adquiridos durante el desarrollo de la carrera
de Ingeniería Civil Mecánica y se ocuparán las herramientas computacionales que
existen actualmente, que permiten a un profesional desarrollar piezas y partes,
incluyendo la facilidad de comprobar su comportamiento cinético y la capacidad del
conjunto para una condición crítica de funcionamiento.
Con este proyecto se intenta construir un vehículo monoplaza con jaula
anti volcamiento que proteja la integridad física del conductor y que pueda transitar
por terrenos abiertos con facilidad.
1.2.- Motivación
Este proyecto nace del interés personal del autor por investigar y desarrollar
temas relacionados con el mundo de la mecánica automotriz, vinculados a la práctica
de deportes al aire libre. La idea de construir un vehículo todo terreno tipo buggy y
probar su funcionamiento, es un desafío que motivó al autor a plantear y desarrollar
este tema como trabajo de titulación.
Por otra parte, es necesario mencionar que este tipo de vehículos
escasamente se encuentran disponibles en el mercado nacional, siendo necesario
importarlo a un alto costo para el interesado.
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Luego de realizada la experiencia y si ésta resulta exitosa desde el punto de
vista técnico, se podrá evaluar la factibilidad técnica y económica de fabricarlos en
serie, con el fin de introducirlos al mercado nacional.
1.3.- OBJETIVOS
Objetivo General
Determinar un modelo, calcular y verificar piezas críticas empleando software
de última generación y, realizar la construcción de un vehículo todo terreno,
utilizando herramientas manuales para su construcción.
Objetivos Específicos
• Buscar información sobre los componentes principales de los vehículos todo
terreno tanto en Internet como en el material bibliográfico de la Universidad.
• Seleccionar las herramientas computacionales apropiadas para el cálculo y
modelación y aprender su manejo.
• Seleccionar piezas y partes reciclables.
• Seleccionar y conseguir las herramientas para su construcción.
• Construir y probar las condiciones de maniobra del vehículo construido.
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CAPÍTULO 2 SELECCION DEL MODELO DE VEHÍCULO
2.1.- Búsqueda de información bibliográfica y en Internet
La información acerca de este tipo de vehículo tradicionalmente no ha estado
disponible en libros o revistas especializadas.
La búsqueda en Internet fue clave ya que no existen documentos ni artículos
en revistas especializadas relacionadas con el tema.
Con el objeto de suplir la insuficiencia de información, el autor se preocupó de
participar en Foros Internacionales de constructores de vehículos en Internet (ref.9),
como asimismo mantener contacto con ingenieros australianos, vía e-mail.
En consideración a que su diseño es muy particular, por las características
que se describen mas adelante, solo se encontró bibliografía relacionada con el
diseño de vehículos de mayor tamaño.
Sin embargo, dentro de la literatura técnica aplicable al proyecto , se cuenta
con manuales de ingeniería mecánica y libros de diseño de elementos y máquinas,
disponibles en las bibliotecas de la universidad (ref.2, 3). De ellos se obtienen los
antecedentes y criterios para verificar el modelo seleccionado; que luego son
aplicados para determinar, por ejemplo, el grado de seguridad del vehículo
construido.
Asimismo, se utilizó como referencia algunos tópicos de la memoria
“Generación conceptual y analítica de la suspensión de un vehículo de competición”
del Ingeniero de Ejecución Mecánico Sr. Rodrigo Stange (ref. 4).
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2.2.- Información necesaria para la modelación y construcción
Principios generales
El vehículo a construir, del tipo buggy debe contar con características, que en
este caso y en general, deben compatibilizarse con el objetivo general que se ha
planteado. Estas características se pueden resumir en el siguiente esquema:
Seguridad Diseño
Durabilidad (Vida Útil) Bajo Costo
La seguridad tiene relación con diversos factores. A continuación se hará una
breve descripción de las distintas relaciones que se deben tener presentes en la
construcción del vehículo.
2.2.1.- Seguridad a) Seguridad del conductor
La seguridad en un todo terreno consiste en proteger al piloto ante
situaciones riesgosas o accidentes. Primero se debe tener presente los puntos
débiles fisiológicos básicos y críticos del cuerpo humano. Ellos son mostrados en la
fig 1.1, siguiente.
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fig 1.1
Las lesiones ocurren porque el cuerpo recibe aceleraciones o
desaceleraciones más allá del nivel de g (donde g representa la aceleración de
gravedad) que puede soportar.
El cerebro es particularmente susceptible a lesiones, porque es una masa
suave de tejido fino almacenada dentro del cráneo.
La clave para impedir lesiones en el cerebro es evitar las bruscas
aceleraciones y desaceleraciones instantáneas que pudieran afectar la masa
encefálica.
El cuello y las lesiones espinales también presentan una amenaza seria a la
vida. Estos elementos son del tipo "conectador" en el cuerpo humano, son flexibles y
pueden sostener enormes aceleraciones y desaceleraciones de entre 7 a 10 g
(ref.11) antes de romperse; sin embargo, dependiendo del ángulo del impacto, ellas
pueden romperse frágilmente, y por lo tanto deben ser protegidas.
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b) Seguridad en la Ingeniería
La seguridad en el vehículo, mismo, consiste en modelar el chasis de tal
forma que la carrocería proporcione la máxima protección al piloto y ergonomía con
los mandos.
fig 1.2
Primero, el conductor necesita estar bien apoyado, permitiendo que el
movimiento al conducir, le represente estar siempre confortable. Esto puede estar
representado por un asiento con soporte lateral, la existencia de una cabecera y
cinturones adecuados.
fig 1.3
Posición optima de manejo (ref.10)
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En segundo lugar, el chasis del coche necesita sostener el asiento y al
conductor, en todas las situaciones; es decir, tanto en el conducir normal como al
estrellarse. Esto, por supuesto, se logra con un montaje adecuado del asiento en el
chasis, y la disponibilidad de un arnés de 5 o 6 puntos.
fig 1.4
Posición optima de manejo
En tercer lugar, el piloto debe vestir un traje con protecciones, guantes y casco
para evitar lesiones en caso de accidentes.
Finalmente, el coche necesita absorber la energía plásticamente a través de
las piezas mostradas en color amarillo (fig 1.2), que son construidas para estos
propósitos en fibra de vidrio, que sin ser éste el material más adecuado para ello, se
ha incluido en la modelación en consideración de su bajo costo, en comparación con
otros materiales moldeables.
Asimismo, otros aspectos importantes a considerar en la selección del modelo
a construir lo constituye la ergonomía y la visibilidad.
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c) Ergonomía y seguridad
La ergonomía, o el estudio de la interconexión humano-máquina debe ser
evaluada en su construcción. Para tal efecto, se consideró la información obtenida en
la (ref:10) en donde se señala un ángulo de flexión de las piernas en posición de
manejo de 120 grados y para la extensión de los bra zos un ángulo de 90 grados, lo
que se logra con un correcto posicionamiento de la butaca.
Por otra parte, los controles mal ubicados puede significar que el conductor
pierda la concentración y con esto el control del vehículo. Así, por ejemplo, se debe
tener presente que el volante de manejo es una herramienta que sirve tanto para
modificar la dirección como de apoyo.
d.- Factores Visuales y seguridad
La línea de la vista del conductor, en lo que se refiere a la visibilidad, es
importante. Debe asegurarse un frente visible con amplios ángulos de visión a la
izquierda y a la derecha. Las visibilidades laterales y frontales debieran ser totales,
siendo impedidas solamente por los tubos frontales de la jaula.
fig 1.5
En relación al diseño se deben tener presentes consideraciones dinámicas y
geométricas.
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2.2.2.- Consideraciones dinámicas y geométricas
a) Subvirancia sobrevirancia
Cabe señalar que un aspecto muy importante en el comportamiento dinámico
del chasis está definido por la posición de las principales masas dentro de éste, tales
como el motor, el estanque de bencina, el piloto, etc.
Hay dos aspectos principales a analizar. Por un lado, es conveniente que la
mayoría de las masas estén lo más cerca del suelo, ya que así se disminuye la altura
del centro de masa del vehículo, lo cual, impacta positivamente en el comportamiento
en curva, frenado y aceleración, pues disminuye el torque que produce el balanceo o
cabeceo (inclinaciones longitudinales o transversales, según sea el caso), lo que
permite utilizar un resorte de menor constante elástica para una misma magnitud de
recorrido de la suspensión.
Por otra parte, es conveniente que las principales masas estén agrupadas
muy cerca del centro de masa del vehículo, observándolo desde arriba. Esta
configuración del vehículo permitirá tener un menor momento polar de inercia de
masa, lo cual hará que éste se resista menos a los cambios de dirección respecto del
avance longitudinal; es decir, se minimizarán los efectos inerciales rotacionales
debido a las principales masas, al tomar una curva a gran velocidad.
A partir de este concepto, nacen los fenómenos de subvirancia y
sobrevirancia. La subvirancia se produce cuando el vehículo describe una trayectoria
de curva mayor que el deseado por el piloto, esto es debido a la pérdida de
adherencia en el eje delantero, con lo que el vehículo tiende a seguir derecho en
lugar de doblar.
Por lo contrario, la sobrevirancia se presenta cuando el vehículo describe una
trayectoria de curva menor que la que el piloto desearía, y se produce debido a la
pérdida de adherencia en el eje trasero del vehículo. En un principio se puede pensar
12
que la sobrevirancia es algo deseable, ya que a igual velocidad permite tomar una
curva de menor radio que un vehículo subvirante. Sin embargo, el problema reside
en el hecho de que la sobrevirancia es una situación inestable, y se requiere de un
piloto muy talentoso para manejar un vehículo sobrevirante, ya que es muy fácil
pasar de la sobrevirancia a la pérdida de control del vehículo.
Para el modelo que se seleccione será importantísima la sobrevirancia, ya que
gracias a ella este podrá doblar más fácilmente en consideración a que el vehículo
todo terreno no contaría con sistema diferencial trasero.
La causa principal de la subvirancia y sobrevirancia, tal como se indica
anteriormente esta relacionada con la ubicación del centro de masas en relación al
centroide. De esta manera, si hay mucha masa distribuida en la parte delantera del
vehículo (centro de masas delante del centroide), éste tendrá tendencia a subvirar,
debido a que al doblar, la fuerza inercial relacionada con esa masa en la parte
delantera del vehículo tratará de que éste siga en línea recta, oponiéndose al cambio
de dirección que el piloto desea generar. Por esta razón, se ubican los mayores
pesos del vehículo en la parte central posterior del vehículo, logrando también así
una mejor estabilidad en saltos y baches. Por lo tanto, si el vehículo tiene su centro
de masas atrás del centroide, éste tendrá una tendencia sobrevirante, debido a que
las fuerzas inerciales, también tratarán de que la masa siga en línea recta, pero al
estar esta masa en la parte trasera, esto tiene el efecto de que el sector delantero del
vehículo siga la curva normalmente, mientras que el sector posterior trate de seguir
derecho, por lo que obviamente se produce una dinámica que tiende a que el
vehículo genere un "trompo". Pero si el piloto es lo suficientemente hábil como para
contravolantear (doblar hacia el otro lado) en el momento preciso, puede evitar el
trompo y tomar curvas de pequeño radio a grandes velocidades.
Además, el comportamiento sobrevirante o subvirante se ve aumentado según
sea el eje motriz del vehículo. Esto es debido a que la fuerza de roce en el neumático
tiene un valor límite, y esta fuerza de roce debe ser compartida, en las ruedas
motrices, entre la fuerza debido al torque de la tracción y la fuerza de roce lateral,
cuando el vehículo toma una curva. Por ende, a iguales neumáticos y cargas
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normales sobre las ruedas, el eje motriz perderá adherencia antes que el eje no
motriz.
Como conclusión, un vehículo con mucha masa adelante, y con tracción
delantera, como lo son la mayoría de los vehículos de serie (con motor y caja de
cambio adelante), tendrá un comportamiento subvirante, mientras que un vehículo
con mucha masa atrás y tracción trasera (como por ejemplo el Volkswagen
escarabajo y el modelo que se está analizando), tendrá un comportamiento
sobrevirante.
b) Aspectos importantes en la generación de la suspensión
Básicamente, la suspensión tiene como misión principal controlar las fuerzas
inerciales que se producen debido a los baches y a las aceleraciones a las que se ve
sometido el vehículo durante la marcha.
Las masas sobre las que actúan estas aceleraciones se pueden clasificar en
dos grandes grupos:
- Masas no suspendidas: En este caso, corresponden al conjunto rueda-masa-
parrillas de suspensión-frenos, y tiene especial importancia en el caso de las
excitaciones producidas al pasar sobre un bache, ya que, en este caso, se produce
una gran fuerza inercial relacionada con la masa no suspendida y la aceleración de
la rueda.
- Masas suspendidas: Corresponden al resto de las masas del vehículo y actúan
sobre las fuerzas inerciales que se producen al doblar, frenar o acelerar. Por ende
para el control de estas fuerzas inerciales se dispuso un sistema de amortiguación
del tipo monoshock.
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c) Consideraciones para la Geometría de la suspensión
Cámber o caída: Se puede decir que el cámber es el parámetro más
importante dentro de los factores que son posibles de ajustar en un vehículo.
fig 1.6
El cámber es el ángulo que se forma entre el plano vertical y la inclinación de
la rueda respecto a este plano. Si debido a los ángulos de inclinación c y c’ de la
figura los vértices exteriores del neumático quedan en el aire, dependiendo del peso
y presión del neumático analizado, se dice que el cámber es negativo. En caso
contrario, se señala que es positivo.
Sin embargo, estos efectos no serán analizados ya que los neumáticos todo
terreno que se usan tienen una superficie de contacto mínima, debido a su curvatura.
Es decir, el neumático tiene un ángulo de cámber de 0º estando el piloto montado en
él.
Por lo tanto, partiendo de la base que el vehículo transitará por terrenos de
superficie irregular, se requieren bandejas delanteras con amplio recorrido en
conjunto con amortiguadores tipo monoshock. Por lo mismo el eje trasero esta rá
sostenido por una bandeja adosada al chasis, cuyo movimiento es regulado por un
amortiguador tipo monoshock de mayor tamaño (Apéndice A).
La bandeja trasera trabaja junto con el chasis soportando esfuerzos de torsión
que afectan al resto del vehículo, es aquí donde las bandejas delanteras de amplio
recorrido trabajan de forma tal que los neumáticos se encuentren siempre en
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contacto con el suelo dado su amplio recorrido, con lo que se asegura una mejor
tracción y dirección en el manejo.
2.2.3.-Costo y durabilidad
El costo del vehículo, a construir con materiales reciclados, no debería
superar los $ 400.000, con una vida útil estimada en 5 años, considerando un buen
mantenimiento e incluyendo reparaciones menores en su motor y transmisión.
Comprendidos todos estos factores, se deberán aplicar en la selección del
modelo y de su construcción, utilizando las herramientas antes señaladas.
2.3.-Selección del modelo a construir y análisis de piezas
Establecidos los principios generales para la modelación y construcción; como
asimismo, el análisis de los factores importantes a considerar, se procede a la
selección del modelo del vehículo todo, terreno; tipo buggy, que se modelará y
construirá . Para la selección del modelo se debe tener presentes: la accesibilidad de
repuestos en el mercado local; la simplicidad en la distribución de las masas, dado
que la carga sólo será el piloto; las dimensiones y peso total que se pueden
comparar con vehículos existentes, como es, por ejemplo, el Honda Pilot(ref.9).
En consecuencia, el modelo seleccionado se caracterizará considerando todos
los antecedentes señalados anteriormente.
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2.3.1.-Características del modelo
• Monoplaza
• Chasis estructural de acero SAE1020: disponible en el mercado a bajo
costo.
• Llantas y neumáticos aro 8 : disponibilidad en el mercado.
• Freno hidráulico de disco: disponible en el mercado como material
reciclable.
• Suspensión tipo Monoshock: disponible como material reciclable.
• Dirección mecánica: disponible como material reciclable.
• Motor de cuatro tiempos, con caja de cambios interna y secuencial:
disponible en motos usadas y reciclables.
• Tracción trasera sin diferencial: mejor tracción y mayor simplicidad en su
construcción.
• Accesorios: disponibles en el mercado.
2.3.2.- Análisis de piezas, su funcionamiento y disponibilidad en el mercado
Luego de caracterizar el modelo , se indaga más acerca de cada sistema o
pieza involucrada, en particular para el modelo todo terreno.
Algunas de las piezas, como son los amortiguadores, el motor, butaca y otras
menores, se buscaron en el mercado santiaguino, muchas de ellas tendrán que ser
modificadas y adaptadas al modelo final.
Para lograr visualizar y entender cada fenómeno involucrado en el modelo del
proyecto, es necesaria una buena familiarización en lo que se refiere a motores y
chasis (ver Apéndice B). Los buenos diseñadores conectan cosas de una manera
lógica, e ingeniosa. La observación y recolección de información, entonces, es uno
de los factores más importantes para obtener un modelo innovador y funcional.
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Entonces, si se desea obtener un modelo acorde con las especificaciones
indicada anteriormente, al mas bajo costo y con un menor tiempo en su construcción,
se debe tener presentes todos los factores. A continuación, se hace un análisis para
cada una de las partes del conjunto vehículo todo terreno.
2.3.3.-Análisis de piezas y su funcionamiento
a.- El Chasis
El chasis “Spaceframe”, o sea de bastidor estructural tridimensional, es tan
viejo como la escena del deporte motor. Su construcción consiste en los tubos o
perfiles rectangulares de acero o de aluminio, colocados en un formato piramidal,
para soportar las cargas de la suspensión, el motor, el conductor y la aerodinámica.
Los chasis tipo Spaceframe son hoy la alternativa mas popular en el deporte
motor aficionado debido a su simplicidad. Un taller mecánico con obra de mano
adecuada puede llegar a construir uno.
Por otra parte, hay también algunas ventajas inherentes al usar spaceframes
en el deporte motor. Una de ellas, y la más importante, es que estas estructuras se
reparan y se examinan fácilmente en caso de daño.
Los chasis Spaceframe consisten en tubos y perfiles soldados, trabajando en
compresión, tracción y torsión. Un verdadero spaceframe es capaz de resistir
impactos y volcamientos y de proporcionar seguridad para el piloto.
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Chasis del vehículo todo terreno Chasis en proceso de construcción.
fig 1.7
En lo que se refiere al chasis tipo spaceframe o chasis tubular, su construcción
con barras influye directamente en la rigidez del vehículo.
Las consideraciones para la fabricación del presente chasis fueron tomadas
de la norma internacional de Rallyes (2002), que indica, entre otras cosas: Tubos sin
costura de 1,5 mm. de espesor, doblados sin arrugas, y soldados por todo su
contorno.
La ubicación de los acoples para la suspensión se escoge para permitir que
el neumático siga y dibuje la superficie por donde circula.
Un buen diseño considera un chasis rígido y con una suspensión ágil y
obediente para lograr su buen funcionamiento. Los cálculos de la suspensión se
encuentran en el Apéndice A.
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Para la fabricación y modelamiento del prototipo se procedió a analizar todas
las alternativas calculadas y mostradas en los Apéndices A, B, C, en lo que a
amortiguación, frenos y motor se refiere.
Luego se realizaron los dibujo 3D en Solid Edge pieza (PART) para cada una
de las piezas involucradas. Paralelamente se va conformando el modelo del chasis,
acomodando las piezas según su función en los puntos más resistentes de él.
Finalmente fueron unidas en Solid Edge Conjunto. Así, se pudo modificar los
parámetros de recorridos de suspensión, de dirección y obtener la correcta
ubicación de cada una de las partes del conjunto. De esta forma y tomando en
cuenta todos estos factores se obtiene el chasis.
Chasis estructural de acero SAE1020 Chasis en proceso de construcción
fig 1.8
Por otra parte, teniendo las piezas correctamente dibujadas es posible aplicar
una malla con nodos a cada una de ellas y mediante el método de elementos finitos y
el software Algor se logra calcular esfuerzos y cargas que optimizan el modelo en lo
que a materiales y dimensiones se refiere.
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b.- El motor
En lo que se refiere a motorización para el vehículo, se escogió utilizar un
motor de motocicleta de velocidad, correspondiente a la motocicleta Honda VT250F
según lo calculado en el Apéndice G.
Honda VT250F
fig 1.9
Esta máquina cuenta con una cilindrada de 250 centímetros cúbicos, y una
arquitectura de dos cilindros en V siendo además del tipo de cuatro tiempos. Este
motor entrega una potencia de aproximadamente 42 HP a 15.000 RPM. Como se
observa, el motor cuenta con una excelente potencia específica; es decir, gran
potencia pese a su pequeña cilindrada y con un peso aproximado de 50 Kg.
21
Otro factor para la elección del motor fue su “complejidad” en cuanto a
equipamiento se refiere. Obviamente, esta “complejidad” se traduce en comodidades
para el piloto como lo son; un embrague hidráulico, refrigeración liquida (cooler),
electro ventiladores (control automático) encendido automático eléctrico, luces y
otras comodidades que no son posibles con motores mas simples.
Debido a las altas revoluciones de estos motores, deben contar con un circuito
adecuado para el refrigerante y con regulación en el encendido del electro
ventilador.
Otro factor importante en la elección fue que este motor cuenta con una caja
de cambios interna de accionamiento secuencial, la cual posee seis cambios ya
calculados y diseñados; sin embargo, se puede contar con una segunda transmisión
por cadena con lo que se logró elegir un mejor escalonamiento de los cambios (ver
Apéndice C). Este se logra aumentando o disminuyendo la relación de dientes que
existe entre el piñón de ataque y la catalina instalada, lográndose así, una adecuada
puesta a punto. Por ejemplo; se podría tener una transmisión que permitiría darle una
mayor velocidad final disminuyendo el número de dientes en la catalina; o aumento
del par o fuerza y reducción de la velocidad final, aumentando el número de dientes
en la catalina.
Una de las razones más importantes en la elección del motor fue su
accesibilidad mecánica y lo popular que fue el modelo en sus tiempos, lo que
permitiría tener un mayor stock de repuestos en el mercado.
La elección de un motor en desuso contribuye a reciclar equipos y materiales.
22
Esta figura muestra el motor que corresponde a una motocicleta HONDA
año1985, DOHC 4T bi-cilíndrico en V de 250 cc que fue reciclado de una moto
Honda Vt250f 1985 (chocada) y su correspondiente dibujo a escala.
fig 2.0
Adquirido el motor se procedió a su desarme completo y revisión de
tolerancias y medidas en regla (por catálogo). Se detectó que éste requería el
recambio inmediato del eje de levas superior delantero; además, del cambio de
asientos de válvulas y rectificación de culata respectivos.
Una vez efectuada la reparación de las piezas dañadas y contando con los
dispositivos en buen estado se procedió a su ensamblaje.
Con el fin de ubicar soportes del motor, se utilizó Solid Edge conjunto para un
exacto posicionamiento de las piezas.
23
c.- Swingarm o bandeja trasera de suspensión
Estos elementos fueron reacondicionados. En ellos se destaca la alta calidad
de bujes, rodamientos, acero, soldaduras y acabados que le proporcionaran una
mayor resistencia al vehículo en general.
Swingarm trasero. Proceso de construcción
fig 2.1
d.- Mono amortiguador (Monoshock)
Debido a las cargas y fuerzas generadas por la dinámica del vehículo, se
procedió a calcular teórica y computacionalmente (Shigley, Mathchad, Algor, otros)
las constantes de los resortes, además de sus dimensiones y características
generales.
Parte importante del cálculo estuvo enfocado a las piezas cuya falla seria
catastrófica en el funcionamiento del vehículo, estas fueron denominadas como
piezas críticas.
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Monoshock Kawasaki 500 1991 y Dos Monoshock trasero Honda XL250 1981.
fig 2.2
Con estos valores fue analizada la opción de mejor funcionalidad y menor
precio, usando para tal efecto un monoshock trasero recuperado de una motocicleta
Kawasaki KX500 1991 y dos monoshock traseros de una Honda XL250 1981, según
lo calculado en el Apéndice A.
Los soportes fueron fabricados tanto en el taller del autor como en
maestranzas especializadas según los espesores calculados (Apéndice A).
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e.- Frenos
El principio de funcionamiento de un sistema de frenado es la reducción de la
energía cinética y/o potencial para transformarla en energía calórica. Con esta
transformación de energía se consigue la reducción de la velocidad del vehículo.
El reparto de cargas sobre el eje en un vehículo moderno detenido, es
aproximadamente de un 55% del peso total en el eje delantero, y del 45% sobre el
eje trasero. Evidentemente, este reparto será crítico ya que el modelo no contempla
frenos en las ruedas delanteras.
Como se puede observar en el diagrama, la inercia del vehículo al frenar
genera una fuerza (Fi) de movimiento que actúa sobre el centro de masa del
vehículo. fig 2.3.
El centro de masas del vehículo normalmente, está situado a mayor altura
que el eje de las ruedas, lo que genera un par de cabeceo en el vehículo que
modifica el reparto de cargas sobre los ejes. Aunque dicho reparto de cargas
dinámicas durante la frenada depende tambien de otros factores, tales como el
reparto de cargas estáticas, alturas del centro de gravedad y otros, se puede estimar
que en un vehículo, dicho reparto de un 65 % sobre el delantero y un 35 % sobre el
eje trasero (ref.10).
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Si la desaceleración con la que se desea frenar es lo suficientemente alta , y el
motor se encuentra embragado, las exigencias para el sistema de freno son mucho
menores que si se desembragase el motor para realizar la frenada.
En consideración a las características del vehículo a construir que contempla
sólo frenos traseros se debe sobre dimensionar el frenado. Para tal propósito, se
instala un sistema de freno de disco perteneciente a un vehículo sedan Fiat,
izquierdo delantero. Estas consideraciones son experimentalmente comprobadas,
cuyos valores obtenidos son dados en el Apéndice F. A continuación se indican las
características de su funcionamiento.
La bomba de freno o cilindro principal, es el encargado de presurizar el líquido
por todo el circuito hidráulico. La bomba de freno reciclada cuenta con doble circuito
de freno de tipo ta ndem que corresponde a la del Fiat sedan.
bomba de freno
fig 2.4
El sistema tandem significa que la bomba dispone de dos pistones, colocados
uno a continuación del otro, con los cuales se atiende al suministro del líquido a una
presión igual para cada uno de los circuitos. Para este caso se suprimieron los
demás circuitos posibilitando el flujo por solo uno de ellos.
27
i) Pinza de Freno
La pinza de freno es el elemento encargado de soportar las pastillas además
de empujarlas contra el disco cuando se presuriza el sistema.
La pinza es un elemento crítico del sistema de freno, debido a que su falla es
del tipo catastrofica, y está sometida a esfuerzos importantes durante el frenado ta les
como vibraciones, excesiva temperatura y otros elementos agresivos.
Por lo tanto, para la inspección y detección de grietas, se debe disponer de
una cámara ultravioleta, que corresponde al sistema de inspección de menor costo y
que cuenta con una confiabilidad aceptable.
Existen diferentes tipos de caliper (pinzas) de freno según el sistema de freno
y el fabricante. Sin embargo, todas se basan en el hecho de que después de liberar
la presión del circuito, permiten que la pastilla de freno, continúe en contacto leve con
el disco de freno, de forma que en la próxima frenada, el efecto de esta sea
inmediato sin requerir un tiempo de aproximación entre la pastilla y el disco de freno.
Diagrama de funcionamiento del caliper en el freno hidráulico.
fig 2.5
El dispositivo utilizado corresponde a un freno hidráulico de doble caliper y
pinza flotante el que fue reciclado de un vehículo Fiat 147 año 1983 (delantero
izquierdo).
28
ii) Pinzas de pistón opuesto
El freno de disco de pinzas de pistón opuesto se fija en la brida de montaje
mediante dos pernos y las pinzas están montadas por encima del disco que gira con
el cubo de la rueda.
Caliper Fiat izquierdo delantero . SOLID EDGE.
fig 2.6
Los cilindros a ambos lados de las pinzas fijas están equipados cada uno con
una junta que se mantiene en una ranura angular en alojamiento del cilindro. Los
cilindros y pistones están protegidos contra la suciedad y agua con una cubierta
antipolvo. Los conjuntos de pastillas están montados entre el pistón y el disco en la
ranura de las pinzas y se mantienen en posición con pasadores. Las pinzas para las
ruedas traseras pueden llevar incorporados orificios de fijación para unir un freno de
mano de tipo pinzas accionado mecánicamente que sirva como freno de
estacionamiento.
Su principio de funcionamiento es simple; es decir, cuando se pisa el pedal el
cilindro principal presuriza el líquido de frenos que empuja por igual a cada uno de
los pistones de la pinza, que a su vez empujan a las pastillas contra el disco. La
ventaja de este sistema es que ambas pastillas se empujan con la misma fuerza
contra el disco.
29
Los líquidos de freno se dividen en la actualidad en dos grupos, dependiendo
de las características que presenten. Así en la actualidad se pueden comercializar
dos calidades de líquido de freno.
• DOT 4: Cuyo punto de ebullición es de 255ºC. Empleado en sistemas de
disco/tambor o disco/disco sin ABS (usado en el vehículo).
• DOT 5: Cuyo punto de ebullición es de 270ºC., este líquido debe ser el
utilizado para vehículos de altas prestaciones.
Sistema de freno utilizado reciclado de un Sedan Fiat 147 año 1984.
fig 2.7
Bomba de doble efecto Masas de freno y disco
fig 2.8
30
Los pedales fueron adaptaciones de piezas de vehículos en desarme. Con
Solid Edge se puede buscar su exacto posicionamiento en el conjunto.
f.- Cremallera de dirección
Corresponde a la cremallera de un Fiat 147 con sus extremos, la cual fue
modificada para darle la simetría que se requería.
Cremallera de dirección
fig 2.9
Los mandos, manubrio, palanca de cambio, switch de encendido y luces son
adaptaciones ergonométricas efectuadas de acuerdo a las características físicas de
un piloto de estatura standard.
2.4.- Características finales del vehículo todo terreno seleccionado.
1.- Chasis fabricado en tubos de 1,5 mm. de espesor, sin costura, y diversos tipos de
perfiles de variadas dimensiones y calidades, disponibles en ferreterías. Uniones
efectuadas con soldadura al arco, oxigeno y Tig.
2.- Motor de cuatro tiempos de motocicleta Honda DOHC 4T bi cilíndrico en V de 250
cc.
31
3.- Suspensión trasera tipo monoschock recuperad y modificada de una motocicleta
Kawasaki kx 500.
4.- Suspensión delantera tipo monoschock, recuperada y modificada de motocicletas
Honda Xlr 250.
5.- Brazos de suspensión diseñados de acuerdo a especificaciones de proyecto.
6.- Llantas fabricadas en maestranzas externas.
7.- Neumáticos recuperados del mercado secundario.
8.- Frenos, manubrio y cremallera de dirección reciclados de un Fiat 147.
32
CAPÍTULO 3 ANÁLISIS COMPUTACIONAL DEL MODELO
3.1.- Uso de programas computacionales para el diseño
Antes del análisis computacional, se desarrolló un análisis teórico usando el
material bibliográfico disponible en la biblioteca del Departamento de Ingeniería
Mecánica.
En textos como Diseño en Ingeniería Mecánica (Shigley), se encuentran las
fórmulas y criterios que, aplicadas y adaptadas matemáticamente a la realidad del
funcionamiento del vehículo darán valores preliminares. Estos valores, junto con los
entregados por el programa computacional Algor, permiten comprobar el factor de
seguridad “n” de la pieza seleccionada. Además Algor permite observar,
virtualmente, las distribuciones y valores máximos de esfuerzo que obran sobre la
pieza analizada.
La situación dinámica a la cual se someterá al vehículo, consiste en simular un
movimiento acelerado del vehículo, más una caída libre desde una altura
determinada, en las siguientes condiciones:
• El peso total del vehículo incluyendo combustible y piloto, será de
aproximadamente 300 Kg.
• El vehículo acelerará de 0 a 50 km/h en aproximadamente 17 segundos.
• Caída desde una altura estimada de un metro.
El procesamiento de datos teóricos y cálculos se realizó con el software
(programa computacional) Mathcad (Apéndice A); herramienta computacional de
procesamiento matemático, que posee un entorno amigable al usuario.
33
Otra herramienta usada en el cálculo de esfuerzos fue el programa
computacional Algor, el cual da una visión tridimensiona l de todos los esfuerzos y
efectos producidos al aplicar las cargas o torques en las piezas críticas.
Con Algor se visualizan mejor los puntos críticos a analizar, se calculan y se
comprueban los valores de esfuerzos en los puntos ya mencionados, dándole así un
respaldo a los cálculos teóricos procesados en Mathcad, en el evento que resulten
coincidentes.
3.2.- Herramienta computacional Solid Edge
El programa computacional a usar para la modelación es el Solid Edge V.10,
el cual se caracteriza por la modelación de piezas en ambientes 3D.
El programa contiene aplicaciones para fabricar las piezas (virtualmente). Uno
de ellos Solid Edge pieza, permite construir una operación base y modificarla con
otras operaciones agregadas, como protrusiones, vaciados, agujeros y refuerzos,
para así construir un modelo sólido y acabado. Solid Edge, puede construir un
conjunto con piezas existentes, o definir piezas nuevas y diseñarlas dentro del
conjunto.
Para la simulación del modelo se usó Solid Edge Movimiento. Con este
entorno, se pueden calcular recorridos, geometrías de suspensión y dirección
(extremos y barras de dirección), dimensionar constantes elásticas de los resortes, y
fuerzas disipativas en los amortiguadores.
Finalmente Solid Edge Vista, proporciona una visión panorámica y en
movimiento del conjunto.
34
3.3.- Modelación de partes y desarrollo de piezas en 3D asistido por
computador
Son necesarios bosquejos aproximados, en escala, del vehículo
seleccionado siempre tratando de ubicar los puntos críticos del conjunto en los
lugares mas reforzados del chasis. Luego se aplicará Solid Edge parte y Solid Edge
conjunto.
3.4.- Ensamblaje del vehículo en Solid Edge V10 3D
El uso de Solid Edge fue esencial para la concepción del modelo: se inicia
modelando por partes, tratando siempre de minimizar el peso y aumentar la
resistencia en cada pieza, teniendo p resente efectos de deformación y otros.
Las piezas consideradas como críticas son presentadas y calculadas en el
Apéndice A.
Piezas dibujadas por separado para el ensamblaje del chasis
Modelación de partes y desarrollo de piezas en 3D. en Solid Edge V10
fig 3.1. Parte inferior del chasis.
Acero SAE1020, perfiles cuadrados 30x30x3, rectangulares 40x30x3, tipo c,
según especificaciones del modelo, soldado en todo su contorno con soldadura al
arco electrodos 6011.
35
fig 3.2. Parte lateral superior del chasis.
Acero SAE1020, soldado en todo su contorno con soldadura al arco electrodos 6011.
Parte o pieza delantera de la jaula.
fig 3.3
Acero SAE1020 sin costura, soldado en todo su contorno. Tubo de 1.5 mm.
delantero de la jaula.
36
Parte o pieza trasera de la jaula
fig 3.4.
Acero SAE1020 sin costura, soldado en todo su contorno. Tubo de 1.5 mm. y
perfiles 20x20x3; anclajes traseros en la jaula.
Brazo de suspensión delantera .
fig 3.5
Acero SAE1020, soldado en todo su contorno, con soldadura al arco
electrodos 6011.
37
Brazo de suspensión trasera.
fig 3.6
Acero reciclado y perfiles (SAE1020), Tubo sin costura y perfiles soldados en
todo su contorno.
38
Ensamblaje del vehículo en Solid Edge Conjunto V10 3D
Conjunto bandeja y rueda (Solid Edge).
fig 4.1
Posición del monoshock. Suspensión delantera.
fig 4.2
39
Posición del monoshock. Suspensión trasera
fig 4.3
Suspensión trasera.
fig 4.4
40
Ensamble del chasis, suspensiones, bandejas y ruedas.
fig 4.5
Conjunto.
fig 4.6
41
3.5.- Simulación virtual del vehículo en Solid Edge V10
En Solid Edge Movimiento, fue posible crear animaciones, incluir las
suspensiones trasera y delantera, con variables como la constante del resorte y la
fuerza resistiva del amortiguador. Todo esto se realiza partiendo de la base de que
las piezas están correctamente dibujadas ya que Solid Edge Movimiento trabaja bajo
las leyes físicas (que son posibles de modificar). Además es posible observar los
recorridos y las posibles interferencias dentro del conjunto.
A continuación algunas fotos tomadas de dichas animaciones.
Sistema monoshock virtual.
fig 3.7
42
Sistema monoshock virtual
fig 3.8
Simulación del recorrido de las suspensiones.
fig 3.9
43
Modelo final a escala del vehículo.
fig 4.0
44
CAPÍTULO 4 CONSTRUCCIÓN DEL VEHÍCULO
4.1.- Crónica de la construcción
Para la construcción del vehículo se confeccionaron los dibujos de todas las
piezas a escala, de ahí se extrajeron los planos con Solid Edge plano.
Con Solid Edge conjunto, se examinan tolerancias y puntos de interferencia
que fueron modificados para un perfecto ensamble del vehículo.
Se procedió a construir las piezas que a continuación se mencionan, por
separado, gracias a Solid Edge pieza.
Primera pieza inferior del chasis.
fig 4.7
45
Ensamblaje y soldado en 90º, de las partes 1 y 2.
fig 4.8
Ensamblaje y soldado pieza 1y 2 con 3(azul).
fig 4.9
46
Ensamblaje y soldada pieza 4.
fig 5.0
Ensamblaje de las suspensiones.
fig 5.1
47
4.2.- Fotos de la construcción.
Piezas reales.
Ensamble de piezas.
fig 5.2
Chasis Spaceframe, en perfiles cuadrados y rectangulares.
fig 5.3
48
Construcción de las bandejas y ruedas delanteras.
fig 5.4
Bandejas delanteras y trasera .
fig 5.5
49
Conjunto brazo masa rueda delantera derecha.
fig 5.6
Soporte caliper de freno.
fig 5.7
50
Freno posicionado.
fig 5.8
Disco de freno trasero.
fig 5.9
51
Guía de cadena y transmisión secundaria.
fig 6.0
Solid Edge Chapa. Estanque de bencina.
fig 6.1
52
Estanque para bencina.
Soldadura al arco (6011) estanque para bencina.
fig 6.2
Modelado en fibra de vidrio.
Molde positivo lateral izquierdo ( para fibra de vidrio).
fig 6.3
53
Sistema de suspensión trasera, el eje motriz es uno y soporta el disco de freno, la
catalina y las ruedas.
fig 6.4
Sistema de suspensión delantero, la bandeja debe pibotear a la misma altura que
el extremo de dirección.
fig 6.5
54
Vehículo construido.
Vehículo terminado, vista lateral derecha que muestra el posicionamiento del motor.
fig 6.6
55
Vehículo terminado, vista lateral izquierda, muestra la pieza protectora y
contenedora de la batería realizada en fibra de vidrio, se puede ver también el
estanque de bencina.
fig 6.7
Vehículo terminado, vista lateral diagonal derecha, muestra el eje y suspensión
traseros.
fig 6.8
56
Vehículo terminado, vista frontal, muestra la simetría entre la cremallerade direccion
y el pivoteo de las bandejas y el ángulo de camber igual a cero
estando este en reposo.
fig 6.9
57
CAPÍTULO 5 ANÁLISIS DE COSTOS.
COSTO UNITARIO
Parte Observaciones $
Chasis jaula Acero: perfiles, tubos, soldadura,
esmeril, etc
100.000
Tornería Fabricación de masas para ejes y
transmisión.
60.000
Motor ruedas y ejes y
frenos
Según especificación. 150.000
Butaca, accesorios Deportiva, accesorios... 80.000
Total Costo de Producción 390.000
La carta Gantt realizada con el software Microsoft Project muestra los
tiempos de los respectivos procesos productivos.
Los tiempos y tareas están cuantificados en base a una empresa que consta
de una sola persona quien deberá realizar todas las tareas allí expuestas.
El costo de mano de obra no esta cuantificado por corresponder a un trabajo
realizado según el interés del autor. Sin embargo, el tiempo obtenido en la carta
Gantt fue cronometrado durante el tiempo de trabajo efectivo, pero no cuantificado
en cuanto a la experticia y efectividad de quien lo realizó . Sin duda, el costo de la
mano de obra será un valor significativo por cuanto es de aproximados de 400 hrs lo
que corresponde a unos dos meses de trabajo de una persona.
58
59
Listado de procesos
1.- Recopilación de información
2.- Estimación aprox. de parámetros de funcionamiento y dimensiones.
3.- Cálculo computacional de suspensiones, motor, chasis, frenos.
4.- Comprobación de resultados preliminares, (comparación, extrapolación)
5.- Cotización y disponibilidad de repuestos.
6.- Toma de medidas de repuestos y accesorios.
7.- Modelado Computacional 3D
8.- Inspección del modelo simulado 3D por el cliente.
9.- Remodelado según requerimientos del cliente, obtención de planos de
fabricación..
10.- Aprobación del Proyecto por el cliente.
11.- Fabricación del chasis y piezas especiales.
12.- Fabricación de suspensiones.
13.- Modificación de Repuestos y piezas.
14.- Ensamblaje Prueba.
15.- Desarme.
16.- Pulir detalles presentación.
17.- Pintura, niquelado y cromado de piezas y chasis.
18.- Ensamblaje Final.
19.- Prueba final.
20.- Traslado.
21.- Entrega.
60
CAPÍTULO 6 CONSIDERACIONES GENERALES Y CONCLUSIONES
1.- En el desarrollo de este trabajo se mostró que es posible construir un
vehículo todo terreno a un costo razonable e ingenierilmente justificado mediante la
utilización de herramientas computacionales como, el software ALGOR y Solid
Edge.
2.- El uso de programas computacionales adecuados obligó al autor a
profundizar, sin disponer del respectivo manual o texto guía, en el conocimiento y
operatividad de ellos, buscando utilizar las potencialidades de los programas según
las exigencias impuestas por el modelo.
3.- Con las herramientas y conocimientos, de los programas computacionales se
pudo calcular y justificar los cálculos teóricos, como los esfuerzos y factores de
seguridad en piezas críticas y en agresivos escenarios.
4.- A través de estos medios, se logró modelar y especificar, suspensiones,
recorridos de bandejas, tolerancias e interferencias, puntos a reforzar y el conjunto
completo simulado a escala.
5.- Luego de haber dibujado el modelo, se procedió a realizar los planos para su
construcción y la adquisición de piezas y partes según lo analizado en el cuerpo de
la memoria.
6.- Este trabajo concluyó satisfactoriamente con las metas y objetivos
propuestos por el autor, lográndose además, comprobar los cálculos de los
esfuerzos en piezas, a través del desarrollo teórico y computacional.
7.- Se cumplió también con un objetivo subsidiario, que fue la superación
personal para el autor, que contemplo la adquisición de habilidades profesionales en
la construcción metalmecánica y mano de obra especializada. En efecto para
financiar la construcción del vehículo y con el fin de abaratar costos, el memorista
debio avanzar en las técnicas de torneado, soldado y corte de material.
61
8.- La experiencia adquirida en el desarrollo de este trabajo, indica que siempre
es posible mejorar un diseño o un modelo, según se trate, ya que cada vez que se
intenta optimizar algún punto de éste aparece otro y no de menor importancia a
analizar. Es por esta razón que, en esta memoria; se intenta indagar, verificar,
calcular y construir todo un conjunto, que si bien satisface las condiciones
propuestas, indica que existen partes o piezas que podrían ameritar un estudio más
intenso que el realizado.
9.- El funcionamiento del prototipo fue el esperado, destacándose su capacidad
de frenado (ver Apéndice F). Por otra parte , el vehículo construido logró
aceleraciones razonables, de manera que alcanzó velocidades de hasta los 50
Km/h en línea recta en un tiempo de 17 segundos. Asimismo, logró subir
pendientes de 30º partiendo del reposo, y caer desde una altura de un metro a una
velocidad de 30 km/h, sin sufrir daños de ningún tipo. La potencia del motor fue
verificada (apéndice G), comprobándose que efectivamente el motor entregó la
potencia nominal señalada en su adquisición y que las pérdidas por roce y otros
efectos fueron significantemente bajas.
10.- En cuanto al comportamiento de las suspensiones estas fueron probadas en
marcha y en terrenos bastante hostiles, el comportamiento de ésta permitió que
hasta en los baches mas pequeños las ruedas no perdieran contacto con el suelo
en el bache. Lo que propicia una buena maniobrabilidad al momento de doblar y
acelerar o desacelerar el vehículo todo terreno. Además se percibió por parte del
piloto una buena linealidad del CM del vehículo lo que repercute en confort al
manejar y la no necesidad de usar faja para retener los riñones del piloto en los
baches.
62
Bibliografía
1.- RIOS, ORLANDO 1960. “La suspensión, automóviles de competición”
Barcelona Ceac. 213p.
2.- SEELY M.S, FRED, 1960. Mecánica Analítica para Ingenieros. México
Hispano Americano. 460p.
3.- SHIGLEY, JOSEPH EDWARD y R. MISCHKE CHARLES, Diseño en
Ingeniería Mecánica, 5ta ed. México, McGraw-Hill, 860p.
4.- STANGE ESPINOZA RODRIGO 2001, Generación Conceptua l y Analítica de la
suspensión de un vehículo de competición, Memoria para optar al titulo de
Ingeniería Ejecución en Mecánica Santiago, Universidad de Santiago de Chile,
Dpto. de Ingeniería Mecánica.
5.- Sant Máximo España (2003) “Moto Verde” “Carburadores” Nº 223 pp177-178.
6.- Sant Máximo España (2003) “Moto Verde” “Bomba de agua” Nº 277 pp176
-177.
7.- Sant Máximo España (2003) “Moto Verde” “EL Réle” Nº 268 pp178-179.
8.- Sant Máximo España (2003) “Moto Verde” “El motor de partida” Nº 277 pp178 -
179.
9.- Soporte en línea, buscador <www.Google.com>, dirección electrónica
www.BuggyLinks.com, (www.meyersmanx.com/history.htm) fecha de consulta (Marzo
003).
10.- Soporte en línea buscador <www.Google.com>, dirección electrónica
www.Sandcar.com, fecha de consulta (Enero 2003).
63
11.- Soporte en línea <www.Google.com>, dirección electrónica
www.Dunebuggy.com, (http://www.iespana.es/jvilches) fecha de consulta (Marzo
2003).
64
APÉNDICES
65
APÉNDICE A
Cálculos según modelo teórico.
1.- Análisis de las fuerzas que afectan a las suspensiones del vehículo
1.1 Fuerzas debido a la aceleración del vehículo.
Diagrama de cuerpo libre del vehículo afectado dinámicamente en movimiento
lineal acelerado.
DCL 1
fig. A1.1
Datos
3.1:
40.0:15.130.1:
10:
8,0:
300:
2
2
=
===
=
=
=
µ
mhmLmk
smg
sm
a
kgm
BA
66
Donde µ es el Coeficiente de roce de pavimento en caucho (ref.4)., y 8.0:=a , corresponde a la aceleración del vehículo de 0 a 50 km/h en 17 segundos. Haciendo torque en A se obtiene
)(2)(:
lkahgLmN f +
−= KgfN f 4.68=
De igual forma haciendo torque en B se obtiene
)(2)(:
lkahgkmN r +
+= KgfN r 5.81=
Por otra parte, haciendo sumatoria de fuerzas en la horizontal:
2:
amFrr =
Por otra parte, para que no patine:
rr Nf µ≤
Es decir:
)(2)(
2 lkahgkmam
++≤ µ
De aquí
hlkk
ga−+
≤µ
O sea 276.8
sm
a ≤
67
Por lo tanto, como se ha considerado que 28.0sm
a = , se cumple que rN2µ , es
decir [ ]maxFrr , es mayor que Frr, con esto se asegura que el vehículo no patine.
Ó sea se cumple que:
rrr NF 2µ<
68
1.2.- Fuerzas debido al impacto
Con el objeto de obtener la fuerza de impacto del vehículo en un salto, será necesario conocer la constante elástica equivalente de los resortes en las suspensiones, Se considerara despreciable el efecto elastico de los neumáticos, debido a su alta presión de inflado y en consideración del tiempo de impacto reducido. Constante elástica equivalente
Para un sistema de resortes en paralelo, la constante elástica equivalente es
la suma de las constantes elásticas de los resortes involucrados. En este caso se tienen tres resortes en paralelo (2 delanteros y uno trasero).
Para los delanteros: 50:1 =Kcmkgf , : 50:2 =K
cmkgf
Para los traseros 80:3 =Kcmkgf
Las constantes elásticas son aproximadamente las especificadas en la
selección del modelo. Entonces:
321: KKKK e ++= 180:=eKcmkgf
69
Análisis Del impacto
Para el análisis de las piezas críticas y del factor de seguridad para el
conjunto será necesario llevar el vehículo a situaciones límites como son las producidas por los saltos del vehículo, que generan fuerzas de impacto. Para evaluar la fuerza de impacto se supondrá que el vehículo cae desde una altura H.
En la figura se considera un cuerpo de peso W que cae desde una altura H con una velocidad inicial nula a un resorte de constante Ke (ref 3). DCL 2
fig. A1.2
La fuerza máxima corresponderá a la máxima fuerza elástica; es decir, cuando se llegue a la máxima compresión, que corresponde a la posición cuando la velocidad del cuerpo sea finalmente nula. Como en este caso las fuerzas que actúan son el peso y la fuerza elástica y ambas son fuerzas conservativas, entonces se puede utilizar el teorema de la conservación de la energía mecánica. Las condiciones de borde son:
Inicial: 00 =y , 00 =∂∂
=ty
V (subíndice 0)
Intermedia: hy =1 (subíndice 1) Final δ+= hy2 , 02 =V (subíndice 2) Donde δ es el maximo acortamiento del resorte equivalente.
y ∂
0 Nivel 0
Nivel 1
Nivel 2
0:=V
h
70
Sea hy =1 , el nivel de referencia nulo de la energía potencial gravitacional.
Además la energía potencial elástica es igual a un medio del producto de la constante elástica por el cuadrado del alargamiento o acortamiento, según sea el caso. Así, se puede escribir:
221 2
121
δδ eKmgmVmgh +−==
La ecuación, cuadrática, para δ , se puede escribir:
0222 =−− hKmg
Kmg
ee
δδ
De donde
eee Kmgh
Kmg
Kmg
2)( 2 +±=δ
En consideración que δ , en este caso es positivo; se puede escribir como:
++=
++=
WhK
KW
mghK
Kmg e
e
e
e
2112
11δ
Por lo tanto, la fuerza elástica máxima, emáxF , será:
++==
WhK
WKF eeemáx 211δ , impe FF =:max
71
El vehículo caerá libremente desde una altura H:=100cm, con un peso lleno (piloto gasolina).
Por lo tanto, la fuerza de impacto resulta ser:
kgf745=impF
72
1.3 Fuerzas en el Conjunto SWINGARM trasero, MONOSHOCK trasero
(amortiguador), Ruedas.
Conjunto SWINGARM trasero, MONOSHOCK trasero (amortiguador), Ruedas. DCL 3
fig. A1.3 Datos
45º:40cm:h50cm:b
40cm:c100cm:L
===
==
θ
La fuerza de impacto se puede suponer de igual valor para las ruedas traseras
y las delanteras, dado que el centro de masa del vehículo esta casi centrado.
θ
73
Luego la fuerza F de reacción de los neumáticos traseros en el caso más desfavorable es la suma de la mitad de la fuerza de impacto y la fuerza debido a la aceleración es decir:
rimp N
FF 2
2: += kgfF 3.602:=
Donde F corresponde a la sumatoria de la fuerza dinámica mas la mitad de la
fuerza de impacto, que correspondería a la fuerza aplicada a los neumáticos traseros en el momento critico descrito , F es la fuerza utilizada en el diagrama de cuerpo libre 3. Haciendo torque en A se obtiene la fuerza sobre el amortiguador:
( ))cos(
2:
θbFhFL
S rr−=
kgfxS 310676.1=
El equilibrio en la horizontal, permite obtener:
( ) )(
)cos(22: θθ
senb
FhFLFR rrrrx
−+−=
kgfRx 4.1161=
De manera similar del equilibrio de fuerzas en la vertical:
FSRy −= )cos(: θ kgfRy 81.582=
74
Calculado el valor S, que corresponde a la fuerza crítica a la cual es taría sometido el resorte del monoshock trasero, podemos obtener la constante de este resorte ya que el recorrido del resorte y por ende el de la suspensión trasera viene acotado en el modelo del vehículo. El recorrido de la suspensión, que viene acotado en el modelo, es:
cmRec 18:= Por lo tanto:
ecreal R
SK =: ∴ 11.93:=realK
ANALISIS DE RESULTADOS
El valor obtenido para la constante k del monoshock trasero es similar a la
entregada por el fabricante esta es de 85 kgf/cm (http:www.racetech.com). La información obtenida fue validada en la siguiente dirección de internet. http://www.racetech.com/evalvi ng/english/cv_results.asp
Sin embargo, es necesario, observar que se ha considerado que la fuerza es resistida solo por el resorte, en circunstancia que existe también el amortiguador hidráulico, con esto se logra garantizar que los valores obtenidos aseguran un buen funcionamiento para la suspensión.
Además, las suspensiones tipo Monoshock poseen "regulación de precarga de muelle", o sea que al resorte se le puede variar su compresión, mediante un anillo con hilo, que lo comprime longitudinalmente, variando así sus características de funcionamiento. Esta ventaja del monoshock repercutirá además en la futura puesta a punto de la suspensión del vehículo para distintas configuraciones de terreno.
75
1.4.- Fuerzas en el conjunto Swingarm o bandeja delantera de suspensión (izquierda).
A continuación se calculara S1 que corresponde a la fuerza que soportara el monoschock delantero en cada una de las dos bandejas delanteras. EL diagrama de cuerpo libre se puede representar como sigue: DCL 4
fig. A1.4 Datos:
º10:8:
18:36:
20:
==
==
=
αcmd
cmccmb
cma
α
76
La fuerza de impacto se puede suponer de igual valor para las ruedas traseras y las delanteras, dado que el centro de masa del vehículo esta casi centrado.
Entonces para una bandeja delantera la fuerza F1 se puede escribir como:
fimp N
FF +=
4:1
Reemplazando los valores para el conjunto bandeja izquierda delantera, se
tiene: kgfF 65.254:1 =
Haciendo sumatoria de torques en el punto O se obtiene S1, que corresponde a la fuerza en el amortiguador.
( ))cos(
: 11 αb
FdbaS
++=
kgf37.478:1 =S
El recorrido de la suspensión que viene acotado en el modelo es:
cmRec 11:=
Por lo tanto:
ecreal R
SK =: 48.43:=realK
ANALISIS DE RESULTADOS
El valor obtenido es similar al entregado por el sitio web "www.racetech.com" específicamente para el modelo Xl250 año 1981, donde se encuentra que la constante del resorte del monoshock trasero es de 40kgf/cm. En especial, si se considera que además actúa una fuerza amortiguadora hidráulica, se puede decir que la suspensión funcionara correctamente.
La información obtenida fue validada en la siguiente dirección de internet. http://www.racetech.com/evalving/english/cv_results.asp
77
2.-Análisis y cálculo de piezas críticas y factores de seguridad 2.1-Pieza 1
Soporte pasador Swingarm trasero. (amarillo) denominada crítica debido a que su ruptura o falla desencadenaría instantáneamente una pérdida del control del vehículo, y con esto un accidente.
La pieza será sometida a dos efectos tensión o compresión simple y a flexión, este análisis será realizado bajo los criterios encontrados en el libro Diseño en Ingeniería Mecánica. (Joseph Edward Shigley, Charles R.Mischke, ref 3).
fig. A2.1
Para el cálculo es necesario obtener un factor de concentración de esfuerzo teórico o geométrico. Este factor llamado Kt se emplea para relacionar el esfuerzo real en la discontinuidad, con el esfuerzo nominal.
De modo que:
0max σσ ⋅= tK
Donde tK solo depende de la geometría de la pieza. Esto es, el material
específico usado no tiene ningún efecto en el valor de Kt.
Y donde AF
=:0σ .
Usando kgfRy 81.582= suponiendo que la carga afectara completamente a la
pieza solicitada tenemos que yRF =: ; entonces: kgfF 81.582=
78
Ahora para la pieza sometida tensión o compresión se aplica la figura A-15-1,
viene de, (ref 3).
Los valores para entrar a la tabla y estimar el valor de tK se calculan y son:
cmt
cmW
cmd
a
3,0:
7:
2:1
=
=
=
Donde los valores dependen de la geometría de la pieza y mostrados en el
esquema de la figura 15-1:
aw W
dD 1:= 29.0=wD
1
:dt
DH = 15.0=HD
De la tabla A-15 se obtiene el valor de tK
4.2:=tK
79
El área según la figura A-15-1 es: ( ) tdWA a ⋅−= 1: 200015.0 mA = En el caso más desfavorable se tomara: NRF y 1.5828:==
AF
=:0σ 20 33.38853333mN
=σ ; MPa85.380 =σ
0max : σσ ⋅= tK MPa24.93max =σ
El valor para maxσ es de MPa24.93max =σ , entonces el factor de seguridad para
la pieza es de:
max
:σSy
n = ;
04.5≅n Con MPaSy 470:= , para un acero G1020CD(ref.3).
80
2.2.-
La pieza 2 es denominada crítica debido a que su ruptura o falla desencadenaría instantáneamente una pérdida del control del vehículo, y con esto un accidente. En la figura es mostrada en amarillo.
Fig.2.2
La pieza que se analizará es la sujeción entre el Monoshock trasero y el chasis, esta se encuentra soldada por ambos costados longitudinalmente , se calculará teóricamente (Shigley) y mediante el software Algor.
81
Pieza critica 2 fig.2.2.1
Para el cálculo es necesario obtener un factor de concentración de esfuerzo teórico o geométrico. Este factor llamado Kt se emplea para relacionar el esfuerzo real en la discontinuidad, con el esfuerzo nominal.
0max σσ ⋅= tK
tabla 2.2 factor de concentración de esfuerzos
82
La tabla 2.2 representa una placa con pasador donde se cumple que:
AF
=0σ ;
Donde tdwA ⋅−= )( es el área de la sección transversal de la placa en el agujero. El valor de Kt sólo depende de la geometría de la parte. Esto es, el material específico usado no tiene ningún efecto en el valor de Kt. Para esta pieza
Kt w (m) d (m) h (m) t (m) A m2 h/w d/w 2.6 0.04 0.008 0.017 0.005 0.00016 0.5 0.5
Tabla 2.2.1 Los resultados para una pieza fabricada con acero SAE1020CD y con las dimensiones antes señaladas son: Para la situación mas desfavorable ósea cuando F=S=16764 N del DCL 3.
H altura caída(m) Kt Sy 1020 0σ Mpa maxσ Mpa n(1020)
1.00 2.4 390 104.75 251.46 1.5 Tabla 2.2.2
Donde Sy corresponde a la resistencia de fluencia para el material seleccionado (ref.3).
83
Calculo de la soldadura en la pieza crítica 2.
El caso analizado corresponde al de una unión a traslape con juntas paralelas longitudinales, y con carga de compresión (ref.3).
cargas paralelas de uniones soldadas de filete.
fig.2.2.2
El área de garganta es 0.707 h L en cada listón o filete de soldadura, puesto
que hay dos de ellos el esfuerzo medio es:
lh1.4142 ⋅⋅== S
AS
g
σ
Es probable que considerar como uniforme la distribución de esfuerzos a lo largo del cordón no sea correcto. Sin embargo se acostumbra adoptar la hipótesis de esfuerzo cortante uniforme a lo largo de la garganta (ref.3). A continuación los valores para el factor de seguridad en la soldadura usando distintos electrodos.
84
Factor de seguridad obtenido para la pieza soldada con distintos tipos electrodos E6011, E9011.
h garganta
Largo garg
SyE6011 (MPa)
n(E6011) SyE9011 (MPa)
n(E9011)
0.3 cm 3.5 cm 345 2.77 531 4.27
Tabla 2.2.4 Donde Sy corresponde a la resistencia de fluencia para el electrodo seleccionado (ref.3). 2.3.-Pieza critica 2 analizada con el software Algor
Se construyó la pieza respetando las medidas reales del modelo
fig 2.3
Se procedió a mallar la pieza Luego se pusieron las condiciones de borde en la soldadura y se agregó una fuerza de F= 16764 kgf, que corresponde a la mitad de la fuerza S en el diagrama de cuerpo libre 1. Esta fuerza se distribuirá en 9 nodos que juntos corresponden al sector de contacto del pasador con la pieza.
85
fig.2.3.1
Los esfuerzos máximos en la pieza están de color rojo intenso se comparan
con el valor máximo de la Tabla 2.2.2, cabe destacar que son del mismo orden a los calculados teóricamente (ref. 3), con un 95% de coincidencia.
Por otra parte la Hipótesis que presenta el libro Diseño en Ingeniería
Mecánica. (Joseph Edward Shigley, Charles R.Mischke, ref 3) de que el esfuerzo longitudinal en la garganta es uniforme, no es verdadero según lo calculado por Algor (ver coloración en cordón) en fig.2.3.1.
86
fig.2.3.2
Se observa como se desformará la pieza aumentando su escala en un factor de 2E9 y se obtuvieron las siguientes tendencias de deformación amplificadas.
fig.2.3.3
87
APÉNDICE B
Descripción del funcionamiento de los elementos en el motor.
Los que corresponden a los de una motocicleta de cuatro tiempos, que es
utilizado en el modelo seleccionado
Carburador de vacío constante
La carburación consiste en alimentar el motor con una mezcla de aire y
gasolina pulverizada, en la proporción justa para una buena combustión. una de las
opciones para realizar esta labor es el carburador de vacío - constante a depresión
Durante el primer siglo de existencia de la motocicleta, la tarea de la
carburación se ha encomendado al carburador, que lógicamente ha evolucionado
para perfeccionarse, y que hoy en día va quedando reemplazado por la inyección
electrónica. La característica común de todo tipo de carburadores es que el aporte de
88
gasolina se lleva a cabo gracias al efecto Venturi - cuando un fluido circula por un
conducto y se encuentra un estrechamiento, la velocidad del mismo aumenta y la
presión sobre las paredes del estrechamiento disminuye -. Existen dos tipos de
carburadores: tiro directo y el de vaciado constante. La diferencia más obvia entre
ambos es el método por el que se abre la campana. En los de tiro directo, el piloto
gobierna la apertura de la campana con el mando del acelerador. En cambio, en los
de vacío constante - a depresión -, el usuario maneja la mariposa y es la depresión
de la admisión la que levanta la campana. Este tipo de carburador es muy usado en
los motores 4T como el que equipa nuestro modelo.
La campana - amarilla en la figura - de este tipo de carburador a depresión
tiene una membrana adosada - roja en el dibujo - que ajusta con el cuerpo del
carburador y su tapa, y establece dos cámaras que se comentan más adelante. Por
lo demás la estructura resulta similar a la del carburador de tiro directo.
La válvula manejada por el acelerador, que tiene forma circular y gira dentro
del conducto principal del carburador abriendo paso al girar - azul oscuro en la
imagen -, suele llamarse válvula de mariposa y sólo influye indirectamente en el
proceso de acelerado del motor, pues permite el paso de la depresión a la cámara
superior del carburador, que es la que de verdad pone las condiciones para que el
régimen aumente. La cámara de depresión citada está situada por encima de la
campana y de su membrana, y va conectada al conducto principal, y cuando la
mariposa abre permite el paso de la depresión de la admisión a esta cámara - color
naranja en el esquema -.
Por último, debajo de la membrana se establece otra cámara que se
encuentra a presión atmosférica por comunicarse directamente con el exterior - azul
claro en el dibujo -. Cuando la cámara superior se encuentra a menor presión que la
que nos ocupa, la campana se levanta comprimiendo un muelle que devuelve a la
campana a su posición de reposo cuando no es solicitada, y este es el porqué de su
funcionamiento, consiguiéndose así que la campana suba sólo lo necesario, en lugar
de abrir.
89
Bomba de aceite y válvula de descarga
Las bombas de aceite a las que nos referimos en este Apéndice son aquellas
que establecen presión en los sistemas de lubricación, no las de trasvasije utilizadas
en los sistemas de cárter seco ni, mucho menos, las empleadas para la mezcla
automática en los motores de «dos tiempos»
Este tipo de bombas tienen que asegurar caudal y presión suficiente para
alimentar todos aquellos elementos que se confían a su cuidado, como cigüeñal,
bielas, pistones, árboles, etc. Esta característica hace necesaria una presión alta que
no puede, eso sí, llegar a extremos exagerados. Por ejemplo la presión establecida
en el interior de un cojinete, entre casquillo y eje, debe ser suficiente para evitar que
estos elementos se toquen, gracias a la cuña hidrodinámica que se forma. Cuando el
motor gira a régimen de ralentí es necesaria menor presión, porque ahora no está
90
sometido a cargas del vehículo . Pero ocurre que estas bombas generan más presión
cuanto mayor es el régimen de giro. Si a mil revoluciones por minuto hay presión
suficiente para lubricar todo el propulsor, cuando el régimen sube, por ejemplo, a
catorce mil vueltas, la presión que aporta la bomba es demasiada elevada que puede
producir daños en los sellos y retenes. Para evitar esa sobrepresión se instalan
válvulas de descarga como la representada en la figura, y cuyo funcionamiento
explicaremos justo después del de la bomba trocoidal, la más común en nuestros
días, también representada en un dibujo.
El rotor interior tiene forma de trocoide - de ahí el nombre - y gira
solidariamente con el eje en el interior del rotor exterior, que tiene forma inversa a la
del interior pero con un lóbulo más. Cuando gira el eje de la bomba obliga a moverse,
a su vez, al rotor exterior que arrastra y «comprime» el aceite para mandarlo al
circuito. Las «pistonadas» que bombea este artilugio aumentan con el régimen, y eso
es lo que hace imprescindible un sistema que regule la presión para evitar averías.
Aquí hace su aparición la válvula de descarga que se aprecia en la figura.
Conectada al circuito poco después de la bomba, el pistón de la figura tapa la válvula
y se mantiene en esta posición gracias al muelle también representado. La precarga
de este muelle se regula con la arandela que observáis, que cuanto más gruesa sea
más empuja al muelle y, por tanto, al pistón de cierre Así, cuando la presión pasa de
un punto previsto por el constructor, vence al muelle que sujeta al pistón y deja salir
aceite de nuevo a la bandeja del cárter de la que la bomba lo absorbe. Si en un
sistema de lubricación se lleva a cabo alguna modificación que aumente la necesidad
de presión - por ejemplo, la instalación de un radiador de aceite -, resulta aconsejable
aumentar la precarga del muelle mediante una arandela más gruesa que impida abrir
a la válvula hasta que haya mayor presión.
91
El motor de arranque
Este dispositivo supone una complicación del sistema eléctrico, peso añadido
y lo que se quiera, pero es indiscutible en una cuatro tiempos.
Entender cómo funciona este sistema es tanto como comprender el por qué
del funcionamiento de un motor eléctrico, así que vamos a empezar por ahí y luego
añadiremos lo que de particular tienen estos motores respecto al de un ventilador o
un molinillo de café por ejemplo . Ocurre que si se establece un campo magnético
mediante un imán permanente o un electroimán - éste es el caso de los motores
eléctricos actuales - y se intercala en ese campo una espira por la que circula una
corriente eléctrica, dicha espira se ve obligada por las fuerzas electromagnéticas a
girar 90° para evitar dicha influencia, y ése es el principio sobre el que se basa el
92
funcionamiento de los motores eléctricos. Se trata, pues, de bobinar sobre el eje del
motor - rotor - un gran número de espiras que sumarán sus esfuerzos para girar
cuando llegue corriente a las bobinas de los electroimanes de la periferia y a las
propias espiras Los extremos de las espiras se agrupan para conectarse a las delgas
elementos de cobre con forma de teja dispuestas en forma de cilindro - del colector,
que es una superficie cilíndrica de láminas de cobre que se encuentran separadas
unas de otras y que conectan con los grupos de espiras para asegurar el flujo de
corriente eléctrica a través de ellas. Sobre dicho colector se apoyan las escobillas de
grafito - buen conductor, que aportan la corriente eléctrica a las espiras del bobinado
del rotor.
El motor de arranque
Lógicamente, cuantas más espiras se agrupen y más fuerte sea el campo
magnético, más par produce el motor eléctrico, por lo que se agrupan varias espiras
y se duplican las parejas de escobillas y los electroimanes periféricos. El motor de
arranque transmite su movimiento al motor termodinámico mediante un sistema que
se embraga cuando el 1% motor eléctrico tira del otro, mientras que se desembraga
cuando está en marcha el termodinámico para evitar que haga girar al eléctrico
mientras la motocicleta está en marcha. Además de la perdida de potencia que esto
supone, el motor eléctrico acabaría por destruirse en poco tiempo.
93
Bomba de agua
En los motores con refrigeración líquida, el agua discurre por concavidades en
contacto con las partes que hay que enfriar, para extraer el calor producido por el
propulsor y así refrigerarlo. Pero para que el líquido se mueva hace falta impulsarlo, y
eso lo realiza la bomba.
Ese es el cometido que tiene que cumplir la bomba de agua que toma el agua
fría que sale del radiador por su parte más baja y la impulsa hacia el motor para que
se lleve el calor de éste. Hay que recordar que estos términos son relativos, pues el
agua que sale del radiador no está propiamente fría, pero si lo está más que la que
entra en el mismo tras pasar junto a la culata y al cilindro. Para impulsar este líquido,
el conducto que trae el caudal a la bomba entra en ella por el centro - flecha azul en
el gráfico, y allí se encuentra con una hélice como la representada en la figura que la
impele hacia el exterior del cárter que alberga al conjunto. Este cárter ha de ser
bastante angosto, dejando poco espacio entre él y la parte móvil de la bomba para
así establecer una presión que haga al líquido «buscar» una salida. Dicho
«desagüe» lo encuentra en el segundo conducto, el que sale tangencialmente de la
bomba - flecha naranja - y conecta con las partes más calientes del motor.
94
Resulta fácil comprender que la hélice, al girar, impulsa el agua hacia el
exterior de la cavidad interior de la bomba, y que de este modo sale por el conducto
al que se conecta el manguito por el que el líquido vuelve al propulsor tras su
recorrido refrigerante. Los tres ojales representados en la figura son para fijar la
bomba al motor, mientras que el eje de la hélice - en azul y cortado en la figura -
debe recibir el giro que hace funcionar a la bomba. Prácticamente todas las bombas
se mueven gracias a la acción mecánica del propio motor, con una conexión
conseguida mediante engranajes o cadena de rodillos. No obstante, hay casos en
que, para evitar la extracción o perdida de potencia que supone que el propulsor
tenga que mover la hélice y vencer la resistencia del agua, se instala un motor
eléctrico alimentado por una batería.
95
El relé de arranque
El relé de arranque es un dispositivo eléctrico que conecta la batería con el
motor de arranque, a voluntad del conductor que lo maneja, mediante una corriente
de baja intensidad y un interruptor. No es, en definitiva, más que un interruptor de
mando eléctrico, que cierra el circuito cuando se suministra corriente al circuito de
baja que alimenta al bobinado representado en la figura. Cuando el relé se arma,
pone en contacto los dos polos superiores a los que se conectan los cables - de
buena sección, para dar paso a la corriente que necesita el motor de arranque para
funcionar - que unen el polo positivo de la batería, un relé y otro reté, con el borne
positivo del motor de arranque. El solenoide, cilindro de hierro dulce rodeado por el
bobinado, se mueve como consecuencia del campo magnético generado por dicha
bobina cuando el circuito de baja alimenta ésta. Para ello, el bobinado se conecta por
uno de los extremos al polo positivo de la batería y por el
96
El embrague
97
El embrague es el dispositivo que hace solidario el giro del cigüeñal con el del
eje primario del cambio, permitiendo también que giren libres entre sí para realizar
los cambios de marcha y la salida desde parado. Mientras que otros tipos de
motocicletas utilizan los llamados embragues multidisco en baño de aceite. Veamos
cómo funciona y qué elementos lo componen. El eje primario del cambio alberga, en
uno de sus extremos y en voladizo, la campana de embrague. Esta suele incluir en
su perímetro el engranaje primario que la hace solidaria al cigüeñal y gira loca sobre
el eje que le da sustento. Tiene forma de «vaso» y su pared exterior está acanalada
para albergar las pestañas de los discos forrados. De este modo, los discos provistos
de forro -conductores-, giran a la vez que la campana y pueden deslizarse
lateralmente dentro de ésta.
En el interior de este conjunto se encuentra la masa de embrague, elemento
gemelo a la campana que va fijo al eje primario e incorpora una ranura en su cara
exterior que coincide con el interior de los discos de acero -conducidos-, los cuales
van intercalados entre los conductores. Unos muelles se encargan de presionar el
paquete completo de discos y así, mientras éstos no patinen entre si, el giro del
cigüeñal se transmite al eje primario del cambio Un dispositivo que explicaremos en
otra entrega de esta sección, el accionamiento, permite comprimir los muelles para
que los discos puedan deslizarse por separado y desembragar el conjunto. Por
cierto, contrariamente a lo que suele entenderse.
98
APÉNDICE C
La relación final de transmisión
La relación entre el número de dientes del piñón de salida del cambio y de la
corona de la rueda trasera puede variarse fácilmente y permite adaptar la entrega de
par motor y la velocidad punta a gusto del piloto.
Las cifras se obtienen calculando los distintos desarrollos mezclando los
números de dientes del piñón de ataque (13, 14 y 15) por el de la corona de la rueda
trasera (29, 30, 31 y 32). Las cifras resultantes son mayores cuanto más largo es el
desarrollo.
Catalina Desarrollos
Transmisión
secundaria
Nº dientes 29 30 31 32
13 0.448 0.433 0.419 0.406
14 0.483 0.467 0.452 0.437
Piñón
De ataque 15 0.517 0.5 0.484 0.469
Por ejemplo la combinación 15/29 es la más larga y 13/32 la más corta. Se
puede encontrar una relación más larga con un piñón más pequeño y viceversa. Un
99
ejemplo concreto: la relación 14/29 (0,483) es más larga que la conseguida por 15/32
(0,469).
El régimen de giro del cigüeñal sufre transformaciones en su paso por la caja
de cambio para adecuarlo a las necesidades concretas del momento. El cigüeñal
conecta con el eje primario del cambio y sufre una primera desmultiplicación. La
propia caja de cambio se dedica exactamente a eso, con la posibilidad de elegir la
magnitud de la desmultiplicación entre tantas posibilidades como relaciones de
cambio equipe la moto. Por último, y este es el motivo de este trabajo, el eje
secundario del cambio se conecta a la rueda trasera mediante la cadena y las ruedas
dentadas de salida del cambio y de la rueda trasera. Mientras cambiar las demás
desmultiplicaciones es muy complicado y hasta imposible, la relación final se
modifica con sencillez y suele ser suficiente para las necesidades normales. Se dice
que una relación es más larga que otra cuando la velocidad final es mayor para el
mismo régimen del motor, siendo más corta en el caso contrario. Resulta muy
adecuado el ejemplo de la bicicleta para entender cuándo una relación es más o
menos larga que otra, alargándose cuando aumenta el número de dientes del piñón
de salida (equivalente a la corona de los pedales en la bici) o disminuye el de la
corona (el piñón trasero en el ejemplo citado) y viceversa. El mejor método para
decidir qué desarrollo es el más apropiado pasa por hacer unos sencillos cálculos y
reflejarlos en una tabla corno la que se adjunta. El ejemplo de tabla que vez sobre
estas líneas permite comentar aspectos como que no siempre es más largo un
desarrollo porque tenga mayor piñón, del mismo modo que no siempre es más corto
el que más grande tiene la corona. Además, la precisión que permite es enorme, con
diferencias de milésima; entre distintas combinaciones.
100
APÉNDICE D
Monoshock y Precarga del muelle
En las figuras que ilustran este capitulo de nuestra sección hemos reflejado los
dos sistemas más comunes en el amortiguador y el casi único de la horquilla.
En los amortiguadores se podrá regular la precarga por pasos o escalones, o
bien por rosca. El primer sistema corresponde al Monoshock delantero, solo se
puede regular según los escalones que tenga el amortiguador -. Para modificar la
precaria lo normal es usar una llave de punto. La pieza en forma de jaula del
amortiguador de la figura 1 - gris oscuro en el dibujo -- sirve de tope al muelle y, por
el otro extremo, presenta un escalonado que apoya sobre el tope soldado al cuerpo
principal del amortiguador - azul en la figura -. Así, resulta fácil comprender que,
dependiendo del escalón que apoye en el tope fijo, la pieza queda más cerca o más
lejos del extremo inferior del amortiguador, y así comprime más o menos el muelle.
Se comprende que un muelle previamente comprimido ofrece más resistencia al
peso que se deposita. La figura 2 corresponde al Monoshock trasero.
101
APÉNDICE E
Planos de diseño, todas las medidas en grados y centímetros.
Pieza 1 base del chasis, construida con perfiles de distintos tipos (acero
SAE1020) y espesores, según cálculos efectuados, soldados en todo su contorno
con soldadura al arco (6011).
102
Pieza 2, construida con perfiles de distintos tipos (acero SAE1020) y
espesores, según cálculos efectuados, soldados en todo su contorno con soldadura
al arco (6011).
103
Pieza 3, construida con tubos de 1,5mm de espesor sin costura y doblados sin
arrugas (acero SAE1020) Espesores y ensamble de acuerdo a la norma (2002)
internacional de rallyes. soldados en todo su contorno con soldadura al arco (6011).
104
Pieza 4, construida con tubos de 1,5mm de espesor sin costura y doblados sin
arrugas (acero SAE1020) Espesores y ensamble de acuerdo a la norma (2002)
internacional de rallyes, soldados en todo su contorno con soldadura al arco (6011).
105
Pieza 5, Bandeja de suspensión delantera, acero SAE1020 soldadura tig en
por todos sus contornos.
106
Pieza 6, Bandeja de suspensión trasera o swingarm, acero SAE1020
soldadura tig en por todos sus contornos.
107
Ángulos y medidas importantes en el ensamble del chasis tipo Spaceframed
108
APÉNDICE F
Funcionamiento y comprobación del frenado.
En Teoría, el esfuerzo de frenado debiera distribuirse entre las ruedas
delanteras y traseras en proporción al reparto de peso en el vehículo. Para el caso
analizado, cabe señalar que las masas de mayor peso se encuentran en la parte
posterior trasera del vehículo, es por esta razón que el vehículo todo terreno
analizado equipa solamente frenos traseros. Esta característica, más la de no contar
con sistema diferencial trasero, propiciará en el vehículo derrapes y bloqueos en las
ruedas traseras, estos efectos ayudaran a detener y trazar curvas derrapando sin
bloquear la dirección en el tren delantero. Sin embargo, al frenar parte del peso se
descarga hacia delante siendo este absorbido por la suspensión delantera.
Por otra parte el uso excesivo del sistema de frenado, más una mala
ventilación de este puede provocar una pérdida de eficacia en el frenado, ya que el
calor generado provoca cambios en las propiedades y coeficientes de fricción de los
materiales en contacto. Es por esta razón que el freno ocupado en el modelo ésta
completamente al exterior, lo que propicia una excelente ventilación de éste.
El tiempo que el conductor tarda en detener el coche depende del tiempo que
invierte en reaccionar, así como del que tardan los frenos en reducir a cero la
velocidad del coche. Durante este tiempo de reacción (en la mayoría de los
conductores es de unos dos tercios de segundo), el coche recorre una distancia
llamada de reacción. La tabla muestra las distancias de reacción y de frenado para
el coche, más la distancia para la cual el vehículo esta detenido completamente.
109
Distancias y reacción de frenado para distintas velocidades, sobre pavimento.
Usando:
aXV 22 =
De esta ecuación donde V es la velocidad inicial, a es la magnitud de la
desaceleración y X es la distancia recorrida hasta detenerse.
Se tiene, X
Va i
⋅=
2
2
Esta ecuación usada para cada caso y se puede comprobar que el vehículo
no patinara midiendo su desaceleración.
Por ejemplo para el caso 3
( )1229.13 2
⋅=a .
20 Km/hsm
55.5= 2m 2m
30 Km/hsm
33.8= 3m 4,5m
50 Km/hsm
9,13= 9m 12m
Velocidad Distancia de reacción Distancia de frenado (Medida Aprox.)
110
Que resulta ser 203.8sm
a = . Este valor es menor que 8.76, calculado en el apéndice
A, como condición para evitar deslizamiento., Esto asegura que el vehículo no
desliza al momento de frenar, como pudo ser observado en la experiencia.
Como conclusión, el uso del Caliper Fiat mas su bomba y circuitos fue
acertada en su elección, ya que al sobredimensionar la pieza , que en este caso es
critica, se protege ante cualquier imprevisto. Lo negativo es el incremento de peso en
el sistema que es de aproximados 2 kg.
En cuanto a los valores obtenidos son los esperados para este tipo de
vehículo que frena solamente con las ruedas traseras.
111
APÉNDICE G
Potencia del vehículo
Si una fuerza F actúa sobre un cuerpo en movimiento trasnacional el la
dirección del desplazamiento , como por ejemplo, el tiro de una barra de tracción de
una locomotora, el trabajo realizado por unidad de tiempo es Fv, en la que v es la
velocidad. Recordando la segunda Ley de Newton que establece que F=ma. Luego el
trabajo realizado por la fuerza es; →→
⋅= rdFdw , así la potencia, es decir, el trabajo
realizado por unidad de tiempo es: →→
⋅== vFdtdw
P
Ahora si la fuerza y el desplazamiento están en la misma dirección y sentido;
entonces:
FvP =
[ ]WvFP ⋅=
Para una aceleración de 0 a 50 km/h en 17 segundos, que fue
experimentalmente verificada en línea recta sobre pavimento, se tiene:
= 28,0
sm
a
Si se parte del reposo, se tiene atv = , es decir:
=
sm
v 9,13
112
Además, amF ⋅= . Con kgm 300= , se tiene: NF 240= . Por lo tanto la
potencia, para el vehículo y para la situación antes descrita.
[ ]WP 32649,13240 =⋅=
Así, la potencia neta en HP es:
[ ]HPP 3.4=
Este valor es bastante menor que el que entrega el motor en su catalogo que
es de aproximadamente 42 HP a 15.000 RPM. Esto significa que se dispone de
potencia adicional, que podrá utilizarse, si se evitan los distintos tipos de perdidas
que sin duda existen. Un análisis resumido de las posibles pérdidas de potencia se
hará a continuación
113
Pérdidas de potencia
Para entender y justificar la diferencia entre el valor calculado para la potencia
del vehículo y el valor de la potencia efectiva del motor, es necesario analizar los
distintos tipos de perdidas de potencia en el vehículo todo terreno y como se
relacionan estos con los efectos mecánicos de fricción, químicos de combustión y los
producidos por la carga aerodinámica generada en el avance.
Es así como la potencia de un motor se puede medir en distintas etapas de su
funcionamiento. En el combustible, se mide la potencia química de este, en la
cámara de combustión se mide la potencia térmica, en la cabeza del pistón se mide
la potencia indicada y a la salida del cigüeñal la potencia efectiva.
La más indicada en los catálogos por los fabricantes de automóviles y
motocicletas se refiere a la potencia en la salida del cigüeñal, es decir, la que mueve
la transmisión y en consecuencia las ruedas del móvil. Esta potencia denominada
potencia efectiva sufre una merma en sus cifras que llega a ser muy significativa,
debida principalmente a perdidas calóricas, aerodinámicas, rozamientos y arrastres
de los elementos internos y externos del motor.
Perdidas calóricas, están relacionadas con la potencia térmica en la cámara
de combustión, que es la energía química que contiene el combustible y que se
transforma en energía calorífica, parte de la cual debe ser disipada por el sistema de
refrigeración, para evitar sobrecalentamiento en los cilindros Existen también
pérdidas por combustiones defectuosas, debido a que un porcentaje de la mezcla no
se quema, por falta de homogeneidad y atomización en la relación aire y
combustible. Otra perdida térmica se produce por la eliminación de los gases de la
combustión a través del escape, aunque mediante un buen sistema de colectores de
escape parte de ese calor puede ser utilizado en mejorar la calidad de la combustión.
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En cuanto a la refrigeración, actualmente se utilizan cerámicas que permiten
trabajar a temperaturas superiores y con menores perdidas hacia el exterior.
Una pérdida de potencia importante que sufre el motor del vehículo externamente, es
la producida por la carga aerodinámica, especialmente en el caso del vehículo todo
terreno, ya que este no cuenta con un diseño aerodinámico de carrocería. Por
consiguiente es necesario que el motor posea mucho torque a altas revoluciones
para vencer la fuerza de rozamiento con el aire. Hay que tener en cuenta que el
rozamiento aumenta con la velocidad. Por ejemplo en el caso de un Formula Uno
cuando se sobrepasan los 300 Km/h se pueden llegar a necesitar hasta 4 HP
adicional para ganar 1 Km/h de velocidad, en función de una carga aerodinámica
máxima producida por los torbellinos que crea el viento en el vehículo.
Perdidas por fricción mecánica, afectan en un porcentaje importante el
desarrollo del vehículo, según algunos fabricantes alcanzan valores de un 25%, de la
potencia del motor y se producen por los rozamientos y arrastres de los elementos
internos y externos de un motor, como puede ser la fricción de los segmentos sobre
los cilindros, de los ejes de los casquillos respectivos, arrastre del árbol de levas
venciendo los muelles de la válvula, de las bombas de aceite, de bencina y de agua,
del alternador, sistema de transmisión y otros.
Finalmente algunas valores referenciales de pérdidas entregadas por los
fabricantes nos indican, que se pierde entorno a un 35 % en forma de calor y otro
25% en rozamientos, mientras que un 10 o 15% se pierde al suministrar potencia
para el funcionamiento de ciertos elementos como el alternador, bombas de aceite,
agua bencina, etc.
![Heike Freire, periodista PATIOS VIVOS PARA … FREIRE En el arenero exploran texturas, crean formas y hacen “cocinitas”. &3B BPDU]RB LQGE REPORTAJE MARZO 2016_465_ CUADERNOS DE](https://img.dokumen.tips/doc/110x75/5adfc4787f8b9ab4688c869b/heike-freire-periodista-patios-vivos-para-freire-en-el-arenero-exploran-texturas.jpg)
