REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICERRECTORADO BARQUISIMETO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO DE VEHÍCULO CATEGORÍA MINI BAJA-SAE

Autor: Jafé David Pérez Morales

BARQUISIMETO JUNIO, 2011

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICERRECTORADO BARQUISIMETO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

Línea de Investigación: Actualización Tecnológica De los Laboratorios y sistema avanzado de diseño

PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO DE VEHÍCULO CATEGORÍA MINI BAJA-SAE

“Trabajo Especial presentado ante el departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre” ViceRectorado Barquisimeto como requisito parcial para optar por el Título de Ingeniero Mecánico”

Autor: Jafé Pérez Tutor: Ing. José Lacruz

BARQUISIMETO JUNIO, 2011

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICERRECTORADO BARQUISIMETO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

ACTA DE APROBACION

Quienes suscriben, Miembros de Jurado Evaluador designados por la Coordinación de trabajo Especial del Departamento de Ingeniería Mecánica del Vice Rectorado de Barquisimeto de la Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio

José

de

Sucre”

para

examinar

el

trabajo

Especial

titulado

“PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO DE UN VEHICULO CATEGORÍA MINI BAJA SAE”, Presentado por el alumno Jafé David Pérez Morales cédula de identidad 18.432.967, como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Mecánico, consideramos que dicho trabajo cumple con lo establecido para tal efecto y por lo tanto lo declaramos APROBADO. Con una nota de 9.0 en la escala del 1 al 9 de esta Universidad.

En Barquisimeto, a los 16 días del mes de junio de 2011.

____________________

____________________

Miembro: Ing. Roberto Quintero

Miembro: Ing. Elton Zambrano

_____________________ Tutor: Ing. José La Cruz

INDICE GENERAL INDICE GENERAL..................................................................................................... iii INDICE DE IMÁGENES Y FIGURAS ...................................................................... vi INDICE DE TABLAS ................................................................................................. xi RESUMEN.................................................................................................................. xii INTRODUCCION ........................................................................................................ 1 CAPÍTULO I................................................................................................................. 3 EL PROBLEMA ....................................................................................................... 3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .............................................................. 3 Objetivos de la Investigación .................................................................................... 5 Objetivo General .................................................................................................... 5 Objetivos específicos ............................................................................................. 5 JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA ..................................................................... 5 ALCANCES .............................................................................................................. 6 LIMITACIONES ....................................................................................................... 6 CAPÍTULO II ............................................................................................................... 8 MARCO TEORICO .................................................................................................. 8 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACION.................................................... 8 BASES TEÓRICAS ................................................................................................ 11 Diseño de Frenos ................................................................................................. 11 Bomba de Freno (Cilindro Maestro) .................................................................... 14 Caliper.................................................................................................................. 15 Disco .................................................................................................................... 16 Materiales de Fricción ......................................................................................... 17 Frenos de Tambor ............................................................................................... 19 Ley de Pascal ....................................................................................................... 19 SISTEMA DE DIRECCIÓN ............................................................................... 20 Componentes del Sistema de Dirección: ............................................................. 23

iii

Geometría de la Dirección: .................................................................................. 25 Tipos de Sistemas de Dirección: .......................................................................... 32 Otras Características del Sistema de Dirección: .................................................. 37 Efecto del estado de los neumáticos en la dirección:........................................... 39 SISTEMA DE SUSPENSIÓN ............................................................................. 39 Clasificación de Suspensiones ............................................................................. 39 Amortiguadores: .................................................................................................. 41 Tipos de Amortiguadores: ................................................................................... 42 Tipos de Sistemas de Suspensión: ....................................................................... 47 TRANSMISIÓN MECÁNICA ............................................................................ 53 Tipos de transmisión ............................................................................................ 54 Reductores de velocidad ...................................................................................... 67 Características de los reductores .......................................................................... 69 Relaciones de transmisión ................................................................................... 69 MATERIALES .................................................................................................... 73 MODELO DE SOFTWARE ............................................................................... 78 CAPÍTULO III ............................................................................................................ 81 MARCO METODOLOGICO ................................................................................. 81 Naturaleza de la investigación. ............................................................................ 81 Ubicación. ............................................................................................................ 81 Sujeto de la investigación. ................................................................................... 83 Fases del proyecto ................................................................................................ 84 FASE I: Diagnóstico. ........................................................................................... 85 FASE II Análisis de la información. .................................................................... 86 FASE III. Elaboración del proyecto. ................................................................... 87 CAPITULO IV ............................................................................................................ 88 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS ..................................................................... 88 FASE I: Diagnóstico ............................................................................................ 88 FASE II: Análisis De La Información ................................................................. 89 FASE III. Elaboración del proyecto. ................................................................... 90 iv

1.

Sistema de suspensión: ................................................................................. 92

1.1

Dimensiones del vehículo. ........................................................................ 94

1.2

Partes que conforman la suspensión. ........................................................ 99

1.3

Diseño De La Suspensión Delantera. ..................................................... 107

1.4. Diseño de la suspensión trasera .................................................................. 119 2.

Sistema de dirección. .................................................................................. 124

2.1.

Parámetros a Considerar para el Diseño del Sistema de Dirección: ....... 124

2.2

Estructura del Sistema de Dirección: ...................................................... 126

3.

Diseño Del Chasis. ..................................................................................... 129

3.1 Reglas para la fabricación de el chasis según la SAE international 2011 ... 130 3.3 4.

Diseño de partes del chasis no estipuladas en el reglamento SAE 2011 154 Sistema de Transmisión.............................................................................. 161

4.1.

Elementos que conforman la transmisión ............................................... 161

4.2.

Cálculos necesarios para la realización de una transmisión ................... 162

5. Sistema de frenos ......................................................................................... 174 5.1

Elementos que conforman el sistema de frenos ...................................... 177

5.2

Cálculos Necesarios para la selección de frenos: ................................... 177

CAPITULO V ........................................................................................................... 188 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................... 188 CONCLUSIONES ............................................................................................. 188 RECOMENDACIONES .................................................................................... 190 REFERENCIAS ........................................................................................................ 191 Fuentes Bibliográficas ........................................................................................... 191 ANEXOS .................................................................................................................. 193

v

INDICE DE IMÁGENES Y FIGURAS

Imagen 1 Área de Contacto de Freno de Frotador Anular ......................................... 12 Imagen 2: Esquema de una Bomba de Freno (Cilindro Maestro) .............................. 14 Imagen 3: Esquema de Caliper Flotante .................................................................... 15 Imagen 4: Esquema de un Caliper Fijo Doble Pistón.................................................. 15 Imagen 5: Esquema de un Caliper Fijo 4 Pistones...................................................... 16 Imagen 6: Disco Ventilado.......................................................................................... 17 Imagen 7: Disco Macizo.............................................................................................. 17 Imagen 8: Sistema de Freno de Tambor .................................................................... 19 Imagen 9 Mecanismo de Ackermann......................................................................... 22 Imagen 10 Ángulo de Avance (caster)........................................................................ 26 Imagen 11 Ángulo de Salida (kingpin) ...................................................................... 27 Imagen 12 Ángulo de Caída (camber) ....................................................................... 28 Imagen 13 Cotas Conjugadas ..................................................................................... 29 Imagen 14 Ángulo de Convergencia (toe) ................................................................. 30 Imagen 15 Convergencia Positiva - Negativa ............................................................. 30 Imagen 16 Radio de Giro Máximo .............................................................................. 32 Imagen 17 Mecanismo de sinfín cilíndrico con tuerca............................................... 33 Imagen 18 Mecanismo de sinfín cilíndrico con sector dentado ................................ 33 Imagen 19 Mecanismo de dirección por cremallera.................................................. 34 Imagen 20 Mecanismo de tornillo sinfín cilíndrico con leva ...................................... 35 Imagen 21 Mecanismo de tornillo sinfín cilíndrico con tuerca de hilera de bolas….35 Imagen 22: Mecanismo de tornillo sinfín globoide y rodillo...................................... 36 Imagen 23: Dirección Hidráulica .............................................................................. 36 Imagen 21: Mecanismo de tornillo sinfín cilíndrico con tuerca e hilera de bolas..... 35 Imagen 24: Dirección Electrohidráulica ..................................................................... 36 Imagen 26: Dirección Neumática ............................................................................... 37 Imagen 25: Dirección Eléctrica ................................................................................... 37 Imagen 27: Amortiguador de Fricción........................................................................ 41

vi

Imagen 28: Amortiguador hidráulico de tipo telescópico ......................................... 42 Imagen 29: Amortiguador Doble Tubo ...................................................................... 43 Imagen 30: Amortiguador Doble Tubo - Presurizado ................................................ 45 Imagen 31: Cámaras de un Amortiguador Mono tubo ............................................. 45 Imagen 32 Suspensión Rígida ..................................................................................... 47 Imagen 33 Suspensión Semi–Rígida: De Dion ............................................................ 48 Imagen 34: Suspensión Semi - Rígida – Eje Torsional ............................................... 49 Imagen 35 Suspensión de Eje Oscilante ..................................................................... 50 Imagen 36: Suspensión de Brazos Tirados (trailing arm) ........................................... 51 Imagen 37: Suspensión McPherson .......................................................................... 52 Imagen 38: Suspensión de paralelogramo deformable ............................................ 52 Imagen 39: Correa de transmisión entre distintas poleas. ....................................... 55 Imagen 40: Correa Multipista .................................................................................... 56 Imagen 41: Poleas y cadena CVT ............................................................................... 58 Imagen 42: Cadenas de eslabones planos enlazados mediante pernos .................... 59 Imagen 43: Engranajes artesanales de máquina textil. Museo de Tarrasa Barcelona .................................................................................................................................... 61 Imagen 44: Elementos de un engranaje. ................................................................... 63 Imagen 45: Transmisión por poleas dentadas. .......................................................... 66 Imagen 46: Transmisión compuesta. ......................................................................... 69 Imagen 47: Cargas para lograr alargamiento de 1% a 1000h ................................... 76 Imagen 48 efecto de la adición de un 0,5 por ciento de molibdeno al acero con 5 por ciento de cromo ......................................................................................................... 77

FIGURA 1 Dimensiones de Neumáticos Delanteros ................................................... 95 FIGURA 2 Dimensiones de Neumáticos Traseros ....................................................... 95 FIGURA 3 Distancia entre Ejes del Vehículo ............................................................... 96 FIGURA 4 Vista Posterior del Vehículo ....................................................................... 97 FIGURA 5 : Vista Superior del Vehículo ...................................................................... 97 FIGURA 6 : Medidas Nominales de la Suspensión Trasera en la vista superior ......... 98 FIGURA 7 Vista Frontal del Habitáculo ....................................................................... 98

vii

FIGURA 8 Ancho Máximo del Vehículo ...................................................................... 99 FIGURA 9 Ángulo de Salida y Radio Scrub ................................................................ 102 FIGURA 10 Fuerzas Producto del Ángulo de Salida (King Pin).................................. 103 FIGURA 11 Designación de Ángulos de Camber ...................................................... 104 FIGURA 12 Ángulo de Convergencia – Divergencia (Toe in - Toe out) ..................... 106 FIGURA 13 Coordinado para el Lotus Suspensión Análisis v4.03 ............................. 108 FIGURA 14 Puntos Definitorios de las Coordenadas 3D .......................................... 109 FIGURA 15 Dimensiones del brazo de la suspensión delantera superior a la izquierda e inferior a la derecha .............................................................................................. 114 FIGURA 16 Brazos de la suspensión delantera superior a la izquierda e inferior a la derecha .................................................................................................................... 115 FIGURA 17 medidas del portamasas ........................................................................ 117 FIGURA 18 Montaje de la suspensión delantera...................................................... 118 FIGURA 19 Despiece de la suspensión delantera ..................................................... 118 FIGURA 20 Puntos Definitorios de las Coordenadas 3D de la Suspensión Trasera.. 119 FIGURA 21 Vista Posterior de la Suspensión Trasera ............................................... 122 FIGURA 22 Medidas de brazo de suspensión trasera ............................................. 123 FIGURA 23 Brazo de suspensión trasera .................................................................. 123 FIGURA 24 Montaje de la suspensión trasera del vehículo ..................................... 124 FIGURA 25 : Ángulo de Viraje de las Ruedas ............................................................ 125 FIGURA 26 de Dirección Fast Rack and Pinion ......................................................... 127 FIGURA 27 Conjunto de Barras y Rod Ends del Sistema de Dirección ..................... 128 FIGURA 28 Conjunto de Columna de Dirección, Junta Universal y sistema Quick Release ..................................................................................................................... 128 FIGURA 29 Vista Isométrica de Sistema de Dirección .............................................. 129 FIGURA 30 Vista Frontal del Sistema de Dirección .................................................. 129 FIGURA 31 Arco Antivuelco Trasero (Estructura de la Pared de Fuego) .................. 133 FIGURA 32 Refuerzos Diagonales Laterales del Arco Antivuelco Trasero ................ 134 FIGURA 33 Miembros Superiores del Arco Antivuelco (RHO).................................. 135 FIGURA 34: Miembros Laterales del Marco Inferior ................................................ 136 FIGURA 35 : Miembros de Refuerzo Frontal ............................................................ 138

viii

FIGURA 36 RHO/FBM Gusseting .............................................................................. 140 FIGURA 37 Vista isométrica del chasis ..................................................................... 142 FIGURA 38 Vista lateral izquierda del chasis ............................................................ 143 FIGURA 39 Vista frontal del RHH .............................................................................. 144 FIGURA 40 Medidas RHH ......................................................................................... 144 FIGURA 41 Vista isométrica de los RHO y LC............................................................ 145 FIGURA 42 vista isométrica de LFS ........................................................................... 146 FIGURA 43 medidas de LFS....................................................................................... 146 FIGURA 44 Vista isométrica de SIM ......................................................................... 147 FIGURA 45 Medidas SIM .......................................................................................... 148 FIGURA 46 Vista isométrica de FBM ........................................................................ 149 FIGURA 47 Medidas del FBM ................................................................................... 149 FIGURA 48 (RC6) ....................................................................................................... 151 FIGURA 49 RC7 ......................................................................................................... 151 FIGURA 50 Vista isométrica de los FAB .................................................................... 151 FIGURA 51 Chasis mini BAJA 2009 fuente: Perry 2009 ............................................ 152 FIGURA 52 Primer diseño chasis 2010 fuente: Zamorano 2010 .............................. 153 FIGURA 53 Diseño final del chasis 2010 fuente: Zamorano 2010 ............................ 153 FIGURA 54 Mini BAJA 2010 en la competencia con FAB corregido ......................... 154 FIGURA 55 Tubos no mencionados en las reglas SAE 2011 ..................................... 155 FIGURA 56 Vista lateral izquierda de los soportes de la transmisión ...................... 156 FIGURA 57 Vista trasera de los soportes de la transmisión ..................................... 156 FIGURA 58 Ssoportes para sistema de dirección ..................................................... 157 FIGURA 59 Montaje de la dirección ......................................................................... 158 FIGURA 60 Elementos del chasis que dan mayor seguridad al piloto...................... 159 FIGURA 61 Medidas de elementos del chasis que dan mayor seguridad al piloto .. 159 FIGURA 62 Tubos para soportes de la suspensión ................................................... 160 FIGURA 63 Medidas para los soportes de la suspensión ......................................... 160 FIGURA 64 Curva de potencia vs revoluciones por minuto ..................................... 163 FIGURA 65 Curva de par vs RPM .............................................................................. 164 FIGURA 66 DCL del vehículo en pendiente .............................................................. 165

ix

FIGURA 67 Diagrama de rodadura del neumático ................................................... 168 FIGURA 68 Triangulo de fuerzas de rodadura .......................................................... 168 FIGURA 69 Tubos para elementos de transmision ................................................. 171 FIGURA 70 medidas del habitáculo de la transmisión vista lateral.......................... 171 FIGURA 71 medidas del habitáculo de la transmisión vista trasera ........................ 172 FIGURA 72 Vista lateral del montaje de la transmisión ........................................... 173 FIGURA 73 Vista isométrica del montaje de la transmisión..................................... 174 FIGURA 74 Ubicación del Centro de Gravedad en el Vehículo ................................ 180 FIGURA 75 Vista posterior ........................................................................................ 195 FIGURA 76 Vista superior ......................................................................................... 196 FIGURA 77 Vista frontal............................................................................................ 196 FIGURA 78 ESPECIFICACIONES GENERALES DE LA CVT COMET MODELO 790 ........ 198 FIGURA 79 Vista isometrica del vehiculo 1 .............................................................. 199 FIGURA 80 Vista isometrica del vehiculo 2 ............................................................. 199 FIGURA 81 Vista isometrica del vehiculo 3 .............................................................. 200 FIGURA 82 Vista isometrica del vehiculo 4 .............................................................. 200

x

INDICE DE TABLAS

Tabla 1 Designación de Coeficiente de Fricción ......................................................... 18 Tabla 2 Propiedades químicas del acero 1018 ........................................................... 74 Tabla 3 Diámetros y espesores .................................................................................. 75 Tabla 4 Composición química del cromo-molibdeno................................................. 75 Tabla 5 Efectos por adicion de un 5% de C ................................................................ 76 Tabla 6 Ubicación vicerrectorado Barquisimeto ........................................................ 82 Tabla 7 unidad de estudio .......................................................................................... 83 Tabla 8 fases del Proyecto.......................................................................................... 84 Tabla 9 Parámetros 3D de Entrada .......................................................................... 108 Tabla 10 Puntos Definitorios de las Coordenadas 3D delanteras ............................ 113 Tabla 11 Coordenadas 3D de la Suspensión Trasera ............................................... 121

xi

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICERRECTORADO BARQUISIMETO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA “PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO DE VEHÍCULO CATEGORÍA MINI BAJA-SAE” AUTOR: Jafé Pérez TUTOR: José Lacruz RESUMEN Este proyecto es de tipo técnico, apoyándose en un trabajo de campo y una investigación documental, cuyo objetivo es crear un procedimiento a seguir para el diseño de un vehículo categoría Mini Baja-SAE bajo las normas del año 2011. Este proyecto tiene como finalidad implícita dar el poder para que los miembros más jóvenes del equipo SAE UNEXPO VRB, puedan conocer todos los sistemas que componen un vehículo y un procedimiento a seguir para el diseño de los mismos. El proyecto se desarrolló en tres fases, las cuales serán: Fase I: Diagnóstico, Fase II Análisis de la información, Fase III: Elaboración del proyecto. Para el debido cumplimiento de los objetivos se requirió de un adecuado análisis del reglamento 2011 para vehículos de la categoría Baja SAE, siendo necesaria a su vez la consulta en diversas fuentes bibliográficas y el empleo de software de diseño para el análisis y diseño de parámetros mecánicos de los elementos. Por último se elaboró un procedimiento para el diseño de estos vehículos, el

cual sirve de referencia al

momento de diseñar cualquier sistema que lo componga. Luego de esto, se permitió establecer unas conclusiones y recomendaciones que contribuyen al mejoramiento de estos sistemas, para lograr un perfecto objetivo final. PALABRAS CLAVE: diseño, suspensión, dirección, chasis, transmisión, frenos, sistema, reglamento BAJA SAE 2011. xii

INTRODUCCION Desde ya hace un tiempo, la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) de sus siglas en ingles, ha venido realizando una serie de competencias que van desde competencias con vehículos todo terreno, hasta aviones teledirigidos, esta clase de competencias entre universidades, de diferentes lugares del mundo, inspiran a estudiantes de diferentes especialidades a competir y mejorar todas las habilidades adquiridas en su casa de estudio, logrando así una mejora tecnológica e intelectual. Desde hace ya tres años, la Universidad Experimental Antonio José de Sucre, ha venido participando en este tipo de competencias, más específicamente en las competencias de Mini Baja SAE, logrando concretar la construcción de dos de estos vehículos. Para el año 2011, se tiene pensado la construcción de un tercer prototipo, para participar en una de estas competencias. Es debido a esto, que se ha adquirido una serie de experiencias y nuevos conocimientos, los cuales son de vital importancia para el diseño de los nuevos prototipos, es por esto, que se ha visto la necesidad de documentar, toda la información necesaria para el diseño de los mismos. Aunado a esto, los miembros de mayor tiempo en el equipo, se ven en la necesidad de abandonar su cargo, debido a la culminación de su carga académica, sin dar el tiempo suficiente para que los conocimientos y experiencias adquiridas en la construcción de los vehículos pasados, sean transmitida a los otros nuevos miembros del equipo. Este trabajo de investigación, estará enfocado en dar a conocer de una manera más sencilla, todo el procedimiento para el diseño de los vehículos serie Mini Baja SAE Dicho proyecto se desarrolla en cinco capítulos. El capítulo I, que se enfoca al planteamiento del problema, los objetivos de la investigación, la justificación del por

1

qué se realiza la investigación, a su vez también comprende los alcances y limitaciones. En el capítulo II, se refiere al marco teórico, en éste se documentará toda aquella información teórica que se relacione a la investigación, así como los antecedentes relacionados a este tema de estudio. El capítulo III presenta el marco metodológico, aquí se definirá el tipo de investigación, así como también cada una de las fases que contiene la realización del proyecto, en éste se hace referencia a las diversas técnicas e instrumentos de recolección y análisis de información, los métodos para poder determinar la factibilidad del proyecto y la manera de establecer el diseño de la propuesta. El capítulo IV comprende el análisis de resultados, en éste se evaluará con detalle cada una de las fases que comprenden el proyecto, obteniendo así todos y cada uno de los procedimientos que permiten materializar la realización del proyecto. Finalmente en el capítulo V se finalizará la investigación, al establecerse las diversas conclusiones y recomendaciones de los resultados obtenidos. Permitiendo así culminar todas las etapas del proyecto que fueron planteadas.

2

CAPÍTULO I EL PROBLEMA

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Desde el año de 1976 que fue creada la competencia de Baja-SAE en la Universidad de Carolina del Sur bajo, la supervisión del Dr. JF Stevens, infinidad de estudiantes de ingeniería se han visto en la tarea de diseñar y construir un vehículo capaz de realizar todas las pruebas que la sociedad de ingenieros automovilistas (SAE, siglas en ingles) les prepara cada año, es así como estos estudiantes utilizan su ingenio y conocimientos teórico-prácticos, para realizar de la nada y en base a las reglas de SAE 2011, éste vehículo todo terreno, creándose así la difícil labor de combinar todas las partes básicas que componen un automóvil a las normas y especificaciones dadas para la competencia En tal sentido, al no poseer una herramienta o guía para la fabricación de estos vehículos, caemos en la necesidad de establecer parámetros claves para el diseño de los mismos, y así facilitar a los futuros participantes de la competencia la idea de cómo empezar a diseñar estos sofisticados equipos, cumpliendo las rigurosas normas de la SAE problema por el cual este trabajo de investigación intentara resolver. El enfoque de este proyecto, será guiado a diseñar un procedimiento, el cual contenga las pautas claves y las partes más importantes de estos vehículos, explicando qué se debe tener en consideración al momento del diseño, además dentro del proyecto se interpretarán las normas de la competencia vigentes para el año 2011, sin dejar por fuera la manera en que estas partes diseñadas deben encajar perfectamente para que el vehículo funcione. Este proyecto se realizará esquematizando, integrando y explicando cada parte pieza por pieza, necesarias y vitales para que un vehículo clase mini baja SAE pueda pasar de las ideas de estos participantes a un sistema de diseño CAD y posteriormente

3

pasar a un sistema de manufactura de piezas, adquisición de partes y por último el ensamble de todo el conjunto logrando así el objetivo deseado. Esta tarea de diseño y construcción que los estudiantes de diversas ingenierías de la UNEXPO Vicerrectorado Barquisimeto, es tomada cada año por jóvenes asesorados por los antiguos capitanes de diseño pertenecientes a la organización establecida en la misma institución llamada BAJA SAE UNEXPO VRB los mismos se van retirando poco a poco, debido a que éstos están capacitados para su cargo debido al avanzado nivel de estudio que tienen, es decir, se encuentran en los últimos semestres de su carrera la cual han adquirido una serie de conocimientos clave para esta labor, es así como nace la necesidad de desarrollar un procedimiento que diga el paso a paso de cómo se tiene que empezar todo desde que el proyecto está inscrito hasta que el proyecto está listo para la competencia. Dentro de este contexto situacional, los estudiantes de ingeniería de todas las universidades que desean participar en la competencia que se dará el año 2011 en los Estados Unidos, tienen que construir este vehículo con toda la normativa establecida para el evento. De esta manera, al tomar las alternativas existentes y los costos que implica la adaptación de cada una de las partes (chasis, suspensión, transmisión, frenos y demás), se mostrará el desarrollo de este proyecto que alcanzará las exigencias, sin afectar a los estudiantes en el sentido de aprovechar la mayor cantidad de tiempo y generar la menor inversión de trabajo.

Es por esta problemática la cual hace que surjan las siguientes interrogantes:

¿Existe la necesidad de crear un procedimiento para el diseño de vehículo categoría Mini Baja SAE? ¿Se deberán establecer parámetros adecuados para la realización de este diseño? ¿Es posible la creación de un procedimiento para el diseño de chasis, suspensión, dirección, transmisión y frenos?

4

Objetivos de la Investigación Objetivo General

Crear un procedimiento a seguir para el diseño de un vehículo categoría Mini BajaSAE bajo las normas del año 2011 en la Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre” Objetivos específicos

Diagnosticar si existe la necesidad de crear un procedimiento para el diseño de vehículo categoría Mini Baja SAE. Establecer los parámetros adecuados para el procedimiento del diseño de un vehículo categoría Mini Baja SAE. Crear un procedimiento para el diseño de chasis, suspensión, dirección, transmisión y frenos en base a las reglas de la competencia Baja-SAE 2011.

JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA

En la mayoría de Universidades de Venezuela específicamente en ingeniería mecánica se dictan conocimientos teóricos y en la práctica se limitan a la parte básica de la teoría, logrando así que el estudiante no profundice los conocimientos de campo necesarios para enfrentarse a la tarea de diseñar un vehículo completo para la participación en una competencia internacional, la cual toda su normativa llega en idioma inglés y al no poseer el asesoramiento profesional capacitado, se hace notable la necesidad de una guía totalmente en español que facilite esta tarea, explicando de la manera más sencilla posible, pero a su vez completa el procedimiento para el diseño de los mismos.

5

En la Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre” Vicerrectorado Barquisimeto, no se cuenta con ningún tipo de ayuda para comenzar a diseñar estos prototipos, los cuales llevan un proceso de diseño bastante detallado y muy difícil de realizar con solo seguir las normas de la competencia, es por eso que estudiantes toman como proyecto extracurricular el diseño y construcción del mismo, por ende se hará más fácil su labor si cuentan con una base de conocimientos teóricos y además de procedimientos explicados de una manera clara y concisa toda esta difícil tarea.

ALCANCES

Con el desarrollo de este proyecto, se espera alcanzar un mejor entendimiento de las partes que componen estos vehículos de una manera clara y que las futuras generaciones que deseen participar en estas competencias puedan entender y tener éxito al mejorar siempre,

ya que la parte teórica se les facilitará a través del

desarrollo de este trabajo. Este es un procedimiento para el diseño, más no para la construcción del vehículo, aún cuando se proporcionará variada información para ello, no estará dirigido a la fabricación del prototipo. Debido a esto y a otras razones, se aspira conseguir que un estudiante con conocimientos de un cierto nivel avanzado de ingeniería pueda tomar esta guía y con ayuda de miembros de un equipo diseñen un vehículo de esta clase con el menor trabajo posible.

LIMITACIONES

Con la utilización de este procedimiento no se podrán resolver todos los problemas que en una fase de diseño de esta magnitud se presentan, pero si facilitaría

6

en gran medida su realización, además, esta guía no es más que un procedimiento a seguir en base a las normas de la competencia de baja SAE 2011, que podrían llegar a tener modificaciones a través de los años.

En diversas etapas del diseño se hará obligatoria la necesidad del uso de software de diseño el cual se debe contar con un conocimiento previo para su uso como es el caso de Autocad, Solid Works o Inventor aunque para su uso se darán consejos específicos para el problema que se esté abordando en ese momento.

7

CAPÍTULO II MARCO TEORICO

ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACION

La competencia SAE Mini Baja se creó en la Universidad Carolina del Sur en 1976 bajo la dirección del Dr. John F. Stevens. Desde entonces, las competiciones de Baja SAE han crecido fuertemente hasta llegar a ser un pilar que ayuda al fortalecimiento del conocimiento en diseño e ingeniería para los equipos universitarios. Baja SAE es una competencia intercolegial de diseño en donde solo pueden competir estudiantes de ingeniería. La finalidad de esta competencia es simular proyectos de ingeniería del mundo real. Los estudiantes deben trabajar y esforzarse en equipo para diseñar, probar, promover y competir con un vehículo dentro de los límites de reglas que previamente están establecidas. Deben obtener también recursos para financiar su proyecto así como manejar sus prioridades educativas. En este país existen varias universidades que han diseñado y construido un prototipo Baja SAE. La primera universidad venezolana que construyó y participó en las competencias internacionales Baja SAE en el 2003 fue la Universidad Simón Bolívar. Este Proyecto al igual que todos los de Baja SAE están guiados por lineamientos que dicta el reglamento de SAE INTERNATIONAL para cada competencia. Los equipos deben cumplir a la perfección con los artículos de dicho reglamento para poder garantizar la seguridad de los participantes (estudiantes), así como también establecer ciertos parámetros, de modo que el diseño se enfoque en determinadas áreas dejando unos parámetros iguales para todos los equipos como lo es la potencia del motor.

8

En la Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre” Vice-Rectorado Barquisimeto fueron construidos dos vehículos, en el año 2009 se construyó el primer prototipo el cual no pudo participar en la competencia de Estados Unidos por problemas con la obtención de visas norteamericanas y pasaporte de la mayoría de miembros del equipo. En el año 2010 se construyó un segundo vehículo el cual logró participar en la competencia realizada en Rochester, NY, en Estados Unidos, el cual obtuvo buenos resultados pero en la competencia tuvo problemas con la transmisión del vehículo la cual imposibilitó seguir participando en la competencia. Fajardo, O. & Rodríguez, H. (2004). “Construcción de un chasis para vehículo tipo Kart de la categoría intercontinental “C” de la Comisión Internacional de Karting- Federación de Automovilismo”. Trabajo de grado, Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre” ViceRectorado Barquisimeto, de naturaleza proyecto factible, la técnica de recolección de información fue la observación directa y la entrevista no estructurada. Este trabajo se enfocó en la investigación para la construcción del chasis de un vehículo tipo kart de la categoría intercontinental “C” bajo las normas pertinentes concluyendo el material más idóneo para construir chasis es el acero, la construcción de chasis para este tipo de vehículos si es factible dentro de la universidad, ya que en la misma se cuenta con la maquinaria y herramientas necesarias para dicho fin. Los datos obtenidos en este trabajo provienen de un vehículo muy distinto de un Mini BAJA SAE, más sin embargo sirven de referencia debido a que está limitado por reglas al igual que el Mini Baja SAE. Maradey (2004) ejecutó una investigación titulada “Diseño y Selección de un Sistema de Dirección para un Vehículo Tipo Kart” enmarcada en el tipo de investigación de un proyecto factible, la técnica utilizada para la recolección de información fue la observación directa y la entrevista no estructurada en la que plantea como objetivo diseñar el sistema de dirección para un vehículo tipo kart en la Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre” –

9

Vicerrectorado Barquisimeto, obteniendo como resultado el diseño y la selección de este tipo de sistema. Los datos obtenidos en este trabajo provienen de un vehículo muy distinto de un Mini BAJA SAE, más sin embargo sirven de referencia debido a que está limitado por reglas al igual que el Mini Baja SAE. Herrera E. (2010) ejecutó un proyecto titulado “ Diseño y construcción de los sistemas de dirección y suspensión para el prototipo Mini Baja SAE 2010 de la Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre’’ – Vicerrectorado Barquisimeto.” enmarcada en el tipo de investigación de un proyecto factible, teniendo como objetivo Diseñar y construir los sistemas de dirección y suspensión para el prototipo Mini Baja SAE 2010, obteniendo así a través de las técnicas de recolección de datos como son: la revisión documental, la observación directa y la entrevista no estructura, el diseño, selección y construcción de este sistema. Este trabajo ofrece datos importantes sobre el desarrollo, diseño y construcción de los sistemas de dirección y suspensión del prototipo Mini BAJA 2010 que sirven de referencia para el presente proyecto. Perry J.(2010) realizó una investigación titulada “Diseño y Construcción del Chasis, Sistema de Suspensión y Sistema de Frenos de un Vehículo Todoterreno de la Serie Mini Baja” de naturaleza proyecto factible, la técnica de recolección de información fue la observación directa y la entrevista no estructurada. El propósito de la investigación fue realizar tanto el diseño como la construcción de los sistemas de suspensión y frenos, así como el chasis, que conforman un vehículo Mini Baja, en la Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre” – Vicerrectorado Barquisimeto, alcanzando como resultado el diseño y la construcción de cada uno de dichos sistemas en el prototipo Mini Baja 2009 de la UNEXPO. Zamorano E. (2010) en su trabajo titulado como “Diseño, Fabricación Y Análisis De Esfuerzos Mecánicos Del Chasis De Un Vehículo Categoría Mini Baja Sae 2010” Trabajo de grado de naturaleza proyecto factible, la técnica de recolección de información fue la observación directa y la entrevista no estructurada, ubicado en la Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre” Vice-Rectorado Barquisimeto. Este trabajo se enfocó en la investigación para

10

la construcción del chasis de un vehículo mini Baja SAE bajo las normas pertinentes, concluyendo en la construcción de chasis para este tipo de vehículos siendo factible dentro de la universidad, ya que en la misma se cuenta con la maquinaria y herramientas necesarias para dicho fin, además, esta investigación

ofrece datos

importantes sobre el desarrollo, diseño y construcción del chasis del prototipo Mini BAJA 2010 que sirven de referencia para el presente proyecto.

BASES TEÓRICAS Diseño de Frenos Según Shigley J y Charles (2002) Se pueden analizar muchos tipos de embragues y frenos siguiendo un procedimiento general, que comprende las siguientes tareas: •

Se calcula, se modela o se mide la distribución de la presión en las superficies

de fricción. • Se determina una relación entre la máxima presión y la presión en cualquier punto. • Se emplean las condiciones del equilibrio estático para obtener la fuerza de frenado o el par de torsión y las reacciones de apoyo. No existe una diferencia fundamental entre un embrague y un freno de disco. El análisis de la sección anterior también se aplica a frenos de disco. Se ha visto que los frenos de aro o tambor se pueden diseñar para ser auto energizantes. Aunque esta característica es importante para reducir el esfuerzo de frenado requerido, también tiene una desventaja. Cuando los frenos de tambor se emplean como frenos de vehículos, un cambio ligero en el coeficiente de fricción causará un gran cambio en la fuerza del pedal requerida para frenar. Una reducción del 30%, que no es inusual, en el coeficiente de fricción debida a un cambio de temperatura o a la humedad, por ejemplo puede resultar en una variación del 50% en la fuerza del pedal requerida para obtener el mismo par de torsión de frenado antes

11

del cambio. El freno de disco no tiene auto energización y por ende no es susceptible a cambios en el coeficiente de fricción.

Otro tipo de freno de disco es el freno de yugo flotante. El yugo soporta un solo embolo flotante que se acciona mediante presión hidráulica. El efecto es muy similar al de una prensa de tornillo, donde el embolo reemplaza la función del tornillo.

La acción de flotación también compensa por desgaste y asegura una

presión muy constante sobre el área de las almohadillas de fricción. El sello y la envolvente que se indican en la figura anexa se diseñan para obtener una holgura para el retroceso del embolo cuando este se libera. Los frenos de yugo (llamados así por la naturaleza de la transmisión de accionamiento) y los frenos de disco (nombrados por la forma de la superficie sin forro) presionan el material de fricción contra la cara o caras del disco rotativo.

Imagen 1 Área de Contacto de Freno de Frotador Anular

En la imagen 1 se representa la geometría de un área de contacto de freno de frotador anular. La coordenada r ubica la línea de acción de la fuerza F que interseca el eje y. También es importante el radio efectivo re, que es el radio de una zapata equivalente

12

de espesor radial que tiende a cero. Si p es la presión local de contacto, la fuerza de accionamiento F y el par de torsión de fricción T están dados por

Ecuación 1 y Ecuación 2

El radio equivalente re se determina mediante f Fre = T, o Ecuación 3

La coordenada de ubicación r de la fuerza de activación se calcula tomando momentos respecto al eje x:

Ecuación 4

El sistema de disco de freno tiene básicamente cuatro componentes de suma importancia, los cuales definen el sistema: un caliper, un disco, las pastillas y las bombas. Cuando es presionado el pedal, éste por medio de la bomba y la fuerza que se genera debido a la presión, mueve uno o más pistones en el caliper que empuja una pastilla. Esta pastilla, debido a la fuerza de roce, detiene el disco que se encuentra en movimiento desprendiendo calor por los mecanismos ya mencionados.

13

Bomba de Freno (Cilindro Maestro) La bomba de freno es el corazón del sistema hidráulico de frenos, ya que aquí es donde se transforma la fuerza externa aplicada en el pedal, en presión hidráulica. Considerando que el líquido de freno (liga de freno) es una sustancia incompresible, que se encuentra encerrado entre los calipers de cada rueda y la bomba, al momento de existir un cambio de presión, ocasionará el movimiento del pistón de los caliper de cada rueda. El mecanismo es muy sencillo, como se puede apreciar en la imagen 3, el pedal empuja una barra, la cual a su vez impulsa un pistón, que crea la presión. Esta presión es directamente proporcional al área del cilindro, ocasionando el movimiento del fluido en la línea de freno.

Imagen 2: Esquema de una Bomba de Freno (Cilindro Maestro)

La bomba de freno posee un reservorio para el fluido, en donde se deposita el exceso de éste. En las bombas comerciales, se puede encontrar el depósito junto a la bomba o ubicada como una extensión de la misma. Por lo general, estos reservorios son de plástico aunque en algunos casos se pueden encontrar metálicos. Los

14

reservorios de plástico tienen la ventaja que, al ser traslúcidos, permiten una mejor observación directa del nivel de fluido. Caliper Los calipers se pueden encontrar en 2 versiones, los flotantes (imagen 4) y los fijos (imágenes 5 y 6).

Imagen 3: Esquema de Caliper Flotante

Imagen 4: Esquema de un Caliper Fijo Doble Pistón

15

Imagen 5: Esquema de un Caliper Fijo 4 Pistones Los caliper flotantes, por lo general, tienen un solo pistón ubicado del lado externo del caliper, este sistema es el más utilizado en los autos comerciales ya que son más fáciles de fabricar y son más económicos que los calipers fijos. Cuando los frenos son aplicados, en un vehículo con un solo pistón, en el caso de un caliper flotante, este empuja la pastilla, entrando en contacto con una cara del disco, mientras que la otra cara que se encuentra fija, por medio de un mecanismo de reacción, como una mordaza, entra en contacto con la otra cara del disco. Cuando ya no se le aplica fuerza al pedal, las pastillas retornan a su posición de reposo, apartándose del disco. En cuanto a los caliper fijos, se tiene mínimo un pistón de cada lado del disco, empujando cada uno una pastilla. En este caso, cuando se deja de aplicar fuerza en el pedal, los pistones se relajan y llevan las pastillas a su posición inicial.

Disco La función del disco en el sistema de frenos es crear una superficie en el que las pastillas puedan ser comprimidas por los calipers para crear fricción lo que transforma la energía cinética en energía térmica. El disco debe ser plano, liso y capaz de absorber y disipar considerables aumentos de temperatura. Los discos se

16

pueden encontrar de 2 maneras, ventilados que son enfriados por la separación entre las caras del disco, con aletas entre ellas, y los macizos, los cuales no tienen aletas de refrigeración. Los discos ventilados, por lo general, son usados en vehículos pesados, mientras que los discos macizos son usados en vehículos livianos, por lo que estos discos no son intercambiables.

Imagen 6: Disco Ventilado Imagen 7: Disco Macizo Materiales de Fricción Un freno o embrague de fricción debe tener las siguientes características del material de forro, hasta un grado que depende de la severidad del servicio: •

Un coeficiente de fricción alto y reproducible.

•

Inalterabilidad ante condiciones del medio, como la humedad.

•

La capacidad para soportar altas temperaturas, junto con una buena conductividad y difusividad térmicas, así como calor especifico elevado.

•

Buena resiliencia.

•

Alta resistencia al desgaste, rayado y raspadura.

•

Compatibilidad con el entorno.

17

•

Flexibilidad. En las tablas se listan las propiedades de forros comunes para frenos. Los

forros pueden consistir en una mezcla de fibras para proporcionar resistencia y capacidad para soportar temperaturas elevadas, diversas partículas de fricción para obtener un grado de resistencia al desgaste, así como un coeficiente de fricción mayor y materiales aglutinantes; adicionalmente en las tablas se incluyen una variedad más amplia de materiales de fricción para embragues, junto con algunas de sus propiedades. Algunos de los materiales pueden funcionar húmedos, por lo que se pueden sumergir o ser salpicados por aceite: lo anterior se reduce un poco el coeficiente de fricción pero disipa más calor y permite que se empleen presiones mayores. Los materiales se clasifican según su coeficiente de fricción que debe ser capaz de permanecer estable en temperaturas entre 140 y 350 ºC, Dicha clasificación se puede apreciar en la tabla 2. Sin embargo hay pastillas que soportan mayores temperaturas. Tabla 1 Designación de Coeficiente de Fricción Designación

Coeficiente de fricción

C

0.15

D

De 0.16 a 0.25

E

De 0.26 a 0.35

F

De 0.36 a 0.45

G

De 0.46 a 0.55

H

0.55

I

No clasificado

18

Frenos de Tambor Son recomendados para vehículos pesados. De modo que a primera vista no son recomendados para el Baja, así que solo se hará una breve mención sobre estos. El tambor constituye la parte giratoria del freno y es la que recibe gran parte del calor generado en el frenado. El material del tambor es fundición gris con grafito esferoidal, material con alta resistencia al desgaste y bajo costo de fabricación así como un elevado coeficiente de absorción de calor. Y del lado derecho de la imagen 9 está el plato porta frenos, en el cual se coloca un bombín de accionamiento hidráulico, las zapatas de freno y los otros elementos de fijación.

Imagen 8: Sistema de Freno de Tambor Ley de Pascal Establece que cuando se aplica presión a un líquido confinado en un recipiente cerrado la fuerza se transmite igual y sin disminución en todas direcciones. Se expresa matemáticamente de la siguiente forma: P

F A

donde:

F: fuerza (lb) ó (N) P: presión (lb/pulg2) ó (kg/cm2) A: área (pulg2) ó (cm2)

19

SISTEMA DE DIRECCIÓN Fuente Herrera E. (2010) La dirección es el conjunto de mecanismos, los cuales tienen la misión de orientar las ruedas directrices y adaptarlas al trazado de la vía por la cual circula, así como realizar las distintas maniobras que su conducción exige. En los primeros vehículos el accionamiento de la dirección se hacía mediante una palanca o manubrio. Posteriormente por razones prácticas se adoptó el volante redondo que hasta hoy se conoce, además se hizo necesario darle firmeza al sistema logrando cierta irreversibilidad, sobre todo cuando las ruedas chocaban contra un objeto sólido o ante las irregularidades del camino, que repercutían con violencia sobre el timón, haciéndole perder el rumbo al vehículo con gran facilidad, con los peligros consiguientes. Adicionalmente, el mover el volante debía ser una maniobra sencilla y suave de ejecutar por lo cual se montaron los primeros sistemas de desmultiplicación, que aumentaban la suavidad de operación del sistema. La mezcla de estas dos características necesarias, produjo a lo largo de su evolución hasta nuestros días, sistemas más suaves, precisos y sensibles para el conductor, que debe percibir a través de él, el camino por el que transita. Hasta finales de los años 30, los vehículos usaban eje delantero rígido. Con este primitivo sistema bastaba con poner pivotes en los extremos del eje, para que las ruedas pudieran girar. Una simple barra sólida se encargaba de transmitir el movimiento del timón a la caja de dirección y de allí a los brazos de dirección, para finalizar el recorrido en las ruedas.

Con el paso de los años se adoptaron sistemas de asistencia para la dirección. En los últimos años se ha popularizado el sistema de dirección de cremallera, usado en los años 30 por BMW. Este tipo de dirección también puede utilizar asistencia. En los años 40 y 50 se comenzaron a utilizar en los Estados Unidos, sistemas de asistencia de dirección, que sumados a la desmultiplicación lograda, hacían muy peligroso el conducir un vehículo, ya que la dirección quedaba demasiado suave y

20

sensible. Este problema motivó el desarrollo de dispositivos que endurecieran la dirección, a medida que aumentaba la velocidad de desplazamiento del vehículo. Cualquier mecanismo de dirección deberá ser preciso y fácil de manejar, las ruedas delanteras tenderán a volver a su posición central al completar una curva. Por otra parte, la dirección no debe transmitir al conductor las irregularidades de la carretera. Para conseguir estas características, debe reunir cualidades tales como:

Suavidad: el manejo de la dirección se ha de realizar sin esfuerzo, ya que si la dirección es dura, la conducción se hace difícil y fatigosa, lo que representa un cierto peligro por la dificultad que representa su accionamiento. La suavidad y la comodidad se conseguirán mediante una precisa desmultiplicación en el sistema de engranaje, una dirección asistida, así como un buen estado de las cotas de dirección y el mantenimiento del conjunto.

Seguridad: la dirección es uno de los principales factores de seguridad activa. Esta seguridad depende del estudio y construcción del sistema, la calidad de los materiales empleados y de un correcto mantenimiento.

Precisión: consiste en la respuesta con exactitud de la dirección en función de las circunstancias, al igual que no sea ni dura ni blanda, para que las maniobras del conductor se transmitan con precisión. Para ello no ha de haber holguras excesivas entre los órganos de la dirección; las cotas de la dirección han de ser correctas, el desgaste debe ser simétrico en los neumáticos, las ruedas estar bien equilibradas y la presión de los neumáticos correcta.

Irreversibilidad: la dirección debe ser semirreversible. Consiste en que el volante ha de transmitir movimiento a las ruedas, pero éstas, a pesar de las irregularidades del terreno, no deben transmitir las oscilaciones al volante. La semirreversibilidad permite que las ruedas recuperen su posición media con un pequeño esfuerzo por parte del conductor después de girar el volante. 21

Estabilidad: es la aptitud que tiene un vehículo para mantener la trayectoria indicada por el conductor, tanto en recta como en curva. Evita tener que efectuar correcciones frecuentes y bruscas a altas velocidad.

Cuadrilátero de Dirección: Consiste en un cuadrilátero articulado, el cual es un paralelogramo en el que ambas ruedas tienen las mismas desviaciones, las huellas de las ruedas no tienen eje común de giro, se cortan las curvas y están forzadas a recorrer trayectorias distintas, creando así un movimiento adicional de resbalamiento, la rueda interna está más forzada que la externa, ambas tienden al resbalamiento por no tener las trayectorias ideales para cada rueda.

Mecanismo de Ackermann: Consiste en un sistema articulado que une las ruedas directrices, para que giren en ángulos distintos, haciendo un giro correcto con el fin de que el vehículo pueda virar sin que se produzcan deslizamientos en una o más ruedas, es necesario que las perpendiculares de los ejes de rotación de las ruedas delanteras se corten en la línea del eje trasero, de esta forma convergen en un único centro instantáneo de rotación.

Imagen 9 Mecanismo de Ackermann

22

Componentes del Sistema de Dirección: La cadena cinemática que transfiere el movimiento hasta las ruedas del vehículo se puede clasificar en tres grupos: volante y columna de la dirección, caja de la dirección y varillaje. La columna de la dirección va unida por su parte superior al volante y por la inferior a la caja de la dirección donde se transforma el movimiento circular del volante en movimiento lineal. De la caja de dirección llega el movimiento a las barras de acoplamiento. Los extremos del eje delantero terminan en horquillas sobre las que se articula el pivote, el cual es el eje direccional de las ruedas. Del pivote sale la mangueta, también llamado portamasas, sobre la que giran las ruedas en cojinetes de bolas o rodillos. De cada portamasas sale el brazo de acoplamiento. Estos brazos están unidos por la barra de acoplamiento que va articulada en los extremos de ambos brazos.  Volante y columna de la dirección: El volante es el elemento de mando de la dirección. Su diámetro influye en la relación entre los movimientos de brazos y ruedas, un mayor diámetro del volante, a pesar de ocupar mas espacio, ofrece una mayor desmultiplicación y hace más suave la dirección. Éste presenta una parte central ancha y radios también anchos para distribuir la carga del impacto por todo el pecho del conductor en caso de accidente. La columna de la dirección es el cuerpo cilíndrico dentro del cual gira el eje de la dirección, que en un extremo está unido al volante y en el otro a la caja de dirección. Se encuentra fija al tablero o carrocería del vehículo mediante un soporte ubicado en su parte central o superior. Hay modelos que poseen una columna de dirección ajustable. La parte superior, a la que se conecta el volante, puede moverse telescópicamente y, en algunos casos, colocarse en un ángulo adaptado a la altura y posición del conductor. Con el fin de evitar que las vibraciones de la columna se transmitan al volante de la dirección, a veces, se dispone el árbol de la dirección en dos piezas unidas mediante una junta elástica o cardán. Además, en caso de choque frontal, el árbol cederá por esa junta, con lo que el conductor queda protegido del volante. 23

 Caja de la dirección: Es el sistema encargado de transformar el movimiento rotacional del volante, en movimiento transversal de los brazos de la dirección, produciendo una reducción del giro recibido y del esfuerzo del conductor para obtener una fácil maniobra en la conducción. El grado de reducción de esfuerzo por parte del conductor conseguido por efecto desmultiplicador del giro del volante, depende del peso, tipo y uso del vehículo. Un vehículo deportivo ligero necesitará poca reducción, ya que el conductor ha de ejercer un control rápido del vehículo para corregir derrapes. Los coches pesados con neumáticos anchos necesitarán una gran reducción y algún dispositivo de asistencia para poder girar a poca velocidad. El mecanismo de la dirección también transmite al volante la reacción de las ruedas respecto a la superficie de la carretera. Esta reacción avisa inmediatamente al conductor de los cambios en las condiciones del piso. La caja del engranaje cumple las funciones de proteger del polvo y la suciedad el conjunto de engranajes, contener el aceite en que se halla sumergido éstos y servir de soporte al mecanismo, al volante y al brazo. Esta caja se fija al bastidor por medio de tornillos, que aseguran su montaje.  Varillaje: Es el conjunto de palancas y tirantes que transmiten el movimiento obtenido desde la caja de dirección hacia los brazos de la dirección. El sistema de acoplamiento puede ser mediante barras de acoplamiento divididas en varias secciones. En las suspensiones independientes la barra de acoplamiento está dividida en dos o más troncos unidos por palancas y reenvíos para permitir que el viraje sea independiente del movimiento de la suspensión. El sistema más simple es el utilizado en las cajas de cremallera, debido a que el varillaje se reduce a dos barras articuladas en los extremos, constituyendo un sistema más seguro. En los sistemas con mucho varillaje se presentan problemas de vibraciones, debido a la gran cantidad de articulaciones. Todos los movimientos de la suspensión no deberían permitir variaciones del ángulo de las ruedas durante el viraje, esto no es posible en todas las posiciones de la dirección, por eso se trata que coincidan en zonas de poca

24

importancia o se aprovechan para mejorar el comportamiento dinámico del vehículo en las curvas.

Geometría de la Dirección: Es el conjunto de parámetros, cotas y ángulos que definen el posicionamiento relativo de todos los elementos con relación al vehículo y al terreno. Las cotas que determinan la geometría del sistema de dirección son:  Ángulo de Avance (caster): Es el ángulo que forma la prolongación del eje del pivote con el eje vertical que pasa por el centro de la rueda, en sentido de avance de la misma (longitudinal). Si el vehículo es impulsado desde el eje trasero, el eje delantero es arrastrado desde atrás, generando inestabilidad en la dirección. Este efecto se corrige al dar cierta inclinación al pivote, de tal manera que su eje corte a la línea de desplazamiento por delante del punto (A) de apoyo de las ruedas, apareciendo una acción de remolque en la propia rueda que da fijeza a la dirección, haciendo que el punto (A) de apoyo tienda a estar siempre en línea recta y por detrás del punto (B) de impulsión.

Al girar la dirección, la rueda se orienta sobre el punto (B) del avance, desplazando el punto (A) de apoyo de las ruedas cierta distancia hasta el punto (A‟), originando así un par de fuerzas que tienden a volver a las ruedas a su posición de línea recta, ya que en dicha posición la distancia es igual a cero y por lo tanto desaparece el par.

25

Imagen 10 Ángulo de Avance (caster) Si el ángulo de avance es grande, el par creado también lo será, por lo cual las ruedas tenderán a volver a su posición inicial de manera violenta, si el ángulo de avance es pequeño o menor del debido, la dirección se hace inestable. Si se invierte el valor del ángulo, éste se hace negativo al poseer el pivote una inclinación hacia atrás, de esta forma la dirección reacciona bruscamente, es dura y peligrosa. En vehículos de tracción delantera el valor del ángulo esté comprendido entre 0º y 4º. En vehículos de propulsión trasera el valor del ángulo esté comprendido entre 6º y 12º. Angulo de salida (kingpin): La inclinación del pivote, no solamente lo es sobre el plano longitudinal de avance, sino también sobre un plano transversal, es decir, su extremo inferior se separa hacia fuera formando un ángulo con la vertical. Esta disposición del pivote sobre el que se mueve la mangueta (portamasas) reduce el esfuerzo a realizar para la orientación de las ruedas, ya que depende directamente de la distancia de separación entre el punto (A) de apoyo de la rueda y el punto (A‟) de prolongación del eje del pivote, cuanto menor sea la distancia, menor será el esfuerzo a realizar en el volante. El esfuerzo será máximo cuando el pivote esté paralelo, sin formar ángulo. El esfuerzo será mínimo cuando la prolongación del eje del pivote pase por el punto de apoyo del neumático y no exista brazo resistente, entonces la dirección sería inestable. Si el neumático tiene menor presión de lo normal, aumenta el brazo resistente, aumentando

26

la estabilidad en la dirección pero es necesario realizar mayor esfuerzo para orientar las ruedas. El valor del ángulo de salida está comprendido entre 5º y 10º.

Imagen 11 Ángulo de Salida (kingpin)

El ángulo de salida produce también cierta autoalineación o tendencia a volver a la línea recta después de un giro. En efecto, la salida combinada con el avance, da lugar a que, al girar la dirección, se levante ligeramente la parte delantera del vehículo, cuyo propio peso tiende desde ese momento a hacer retornar la dirección a su primitiva posición de línea recta. El resultado práctico conseguido con esta cota es dar estabilidad a la dirección y ayudar al conductor a restablecer la posición del volante después de un giro, posición que puede recobrarse sin su intervención, si la dirección es semi-reversible.  Ángulo de caída (camber): Es el ángulo que forma la prolongación del eje de simetría de la rueda con el eje vertical que pasa por el centro de apoyo de la rueda. Los portamasas no son horizontales, están ligeramente inclinados hacia abajo, formando un ángulo con la horizontal, en el plano transversal, este ángulo tiene un valor medio de 1º. Con esta cota se consigue reducir el esfuerzo que se debe aplicar en la dirección en el momento de orientar las ruedas. A su vez cumple la función de desplazar el peso del vehículo que gravita sobre el eje del portamasas hacia el interior de éste, disminuyendo así el empuje lateral de los cojinetes sobre los cuales se apoya la rueda. A su vez, al estar distribuido el peso sobre la superficie de los neumáticos, se evita el degaste desigual de los mismos.

27

Imagen 12 Ángulo de Caída (camber) El portamasas está sometido a esfuerzos de flexión, equivalentes al peso (P) que sobre ellos se ejerce, por el brazo de palanca (d). El ángulo de caída lo que busca es reducir dicho brazo de palanca, por lo tanto al inclinar la rueda se desplaza el punto de reacción (A) hacia el pivote, reduciendo así la distancia (d) y en consecuencia el esfuerzo al cual están sometidos los rodamientos que se encuentran en el portamasas. Si la inclinación de la parte superior de la rueda es hacia afuera dicho ángulo será positivo, si la inclinación es hacia adentro el ángulo será negativo.  Cotas conjugadas: Las cotas de los ángulos de salida, caída y avance hacen que la prolongación del pivote corte a la línea de desplazamiento por delante y hacia la derecha del punto (A) de la huella del neumático. Esto ocasiona un par de fuerzas debido a la fuerza (F) de empuje del motor y la fuerza (R) de rozamiento del neumático, que tiende a abrir la rueda por delante, por lo cual se debe corregir dando una convergencia a la rueda. Dependiendo del valor de los ángulos de salida, caída y avance, se puede invertir esta tendencia haciendo que la convergencia pueda ser positiva o negativa, y de mayor o menor valor.

28

Imagen 13 Cotas Conjugadas  Convergencia (toe): La convergencia o paralelismo de las ruedas es la posición que ocupan las dos ruedas con respecto al eje longitudinal del vehículo. Es la diferencia existente entre las partes delanteras y traseras de las llantas a la altura del portamasas. Puede ser tomada como medida lineal en milímetros o como una medida angular en grados, por lo general está entre 1 mm a 10 mm para vehículos de propulsión trasera y -2 mm a 0 mm en vehículos de tracción delantera. Los ángulos de salida y caída hacen que la rueda esté inclinada respecto al terreno, y que al girar lo haga sobre la generatriz de un cono, esto implica que las ruedas tiendan a abrirse. Para corregir este efecto se cierran las ruedas en su parte delantera, adelantando así el vértice de dicho cono en el sentido de la marcha.

La convergencia contrarresta el par de orientación que se forma debido al empuje y el rozamiento de la rueda y que tiende a abrirla, esto constituye la razón por la cual los vehículos con propulsión trasera tienen mayor convergencia que los de tracción delantera, ya que debido a los ángulos de salida y caída, la prolongación del eje del pivote corta al suelo en un punto más adelantado y hacia el centro que el punto de apoyo del neumático. El ángulo de convergencia respecto a la dirección de marcha

29

puede ser expresado en función de las distancias (A) y (B), de la cota (h) o a su vez del diámetro (d) del neumático, a través de la siguiente fórmula: tg Av = (B – A) / (2 h)

Imagen 14 Ángulo de Convergencia (toe)

Una convergencia excesiva puede producir un desgaste irregular en los neumáticos debido a la tendencia en la orientación de las ruedas en seguir la trayectoria recta. En los vehículos con propulsión trasera, se induce un ángulo de convergencia positivo (toe in) debido al par creado que tiende a abrir las ruedas delanteras, producto de la acción de la resistencia de rodadura de dichas ruedas. En los vehículos con tracción delantera el efecto es el contrario, debido a que el esfuerzo de tracción produce un par que tiende a cerrar las ruedas, por lo tanto para compensar este efecto es necesario dar a las ruedas unas convergencia negativa (toe out), también llamada divergencia.

Imagen 15 Convergencia Positiva - Negativa 30



Geometría de giro: Al vehículo tomar una curva, la trayectoria que siguen las

ruedas directrices no es la misma ya que, cada una de ellas, tiene distinto radio de curvatura. Por tanto, la orientación dada a ambas ruedas es distinta para evitar que una de las ruedas sea arrastrada, efecto que ocurriría si los dos ángulos fuesen iguales. Para que esto no ocurra, las dos ruedas deben girar concéntricas, es decir, con el mismo centro de rotación. Lo mismo ocurre con las ruedas traseras con respecto a las delanteras ya que, como todo el vehículo tiene que tomar la misma trayectoria de la curva, éste debe tener el mismo centro de rotación. Para ello tiene que cumplirse la condición geométrica de que todas las ruedas en cualquier posición tengan un mismo centro de rotación. Esto se consigue dando a los brazos de acoplamiento una inclinación tal, que cuando el vehículo circule en línea recta, los ejes de prolongación de los brazos de acoplamiento coincidan en el centro del eje trasero, y al tomar una curva, los ejes de las ruedas coincidan sobre un mismo centro. 

Radio de Giro Máximo: Este radio viene dado de forma tal que el vehículo

pueda girar describiendo un círculo de diámetro cuatro veces mayor al de la distancia entre ejes. La distancia (a) entre pivotes recibe el nombre de vía, la distancia (b) entre ejes es llamada a su vez batalla. Por lo general el radio de giro mínimo en los vehículos es aproximadamente el doble de su distancia entre ejes.

31

Imagen 16 Radio de Giro Máximo

Por trigonometría de los ángulos formados por las ruedas en función del ancho de vía y la batalla el vehículo, los ángulos de viraje máximo vienen dado por las siguientes fórmulas: tg (Avi) = (2b) / (4b – a)

tg (Ave) = (2b) / (4b + a)

Tipos de Sistemas de Dirección: Fuente Herrera E. (2010)



Mecanismo de sinfín cilíndrico con tuerca: Sobre el tornillo sinfín se

desplaza la tuerca, que engrana interiormente con el tornillo sinfín. El movimiento de la tuerca se transmite a una palanca que se monta sobre la tuerca. Esta palanca a su vez está unida al eje de giro de la palanca de mando haciéndola girar al accionar el volante de la dirección

32

Imagen 17 Mecanismo de sinfín cilíndrico con tuerca 

Mecanismo de sinfín cilíndrico con sector dentado: La parte inferior de la

barra o columna de la dirección termina en un sinfín donde engrana un sector dentado, que lleva fijo en su centro un eje, al que va unido el brazo de mando. Al girar el volante y, con él, la columna de la dirección, el sector dentado se desplaza sobre el sinfín haciendo girar su eje que obliga a oscilar adelante y atrás, al brazo de mando que, al estar articulado elásticamente a la biela, imprime a ésta un movimiento longitudinal en ambos sentidos.

Imagen 18 Mecanismo de sinfín cilíndrico con sector dentado 33



Mecanismo de dirección por cremallera: El sistema de esta dirección se

caracteriza por la reducción del número de elementos y por su mecanismo desmultiplicador y su simplicidad de montaje. Va acoplada directamente sobre los brazos de acoplamiento de las ruedas y tiene un gran rendimiento mecánico. Es un procedimiento de mandar transversalmente la dirección. La columna, termina en un piñón, que al girar, desplaza a derecha o izquierda la barra cremallera, que mueve las dos bieletas, de la barra de acoplamiento. Las bieletas en sus extremos se unen por rótulas con los brazos de acoplamiento desplazándola y orientando las ruedas, las cuales, se desplazan por modificación de sus pivotes. La barra-cremallera se articula a ambas partes, de la barra de acoplamiento, mediante las rótulas.

Otras veces, las barras son más largas y se articulan casi juntas a la cremallera. Actualmente se utiliza en muchos modelos de vehículos de tracción delantera debido su precisión en el desplazamiento angular de las ruedas. Se consigue una gran suavidad en los giros y una recuperación rápida, haciendo que la dirección sea más segura, estable y cómoda.

Imagen 19 Mecanismo de dirección por cremallera

34

Existen otros tipos de dirección que serán nombrados y esquematizados debido a que el vehículo el cual va a ser diseñado no necesita de tales direcciones por motivos económicos o de factibilidad técnica puesto que el vehículo es liviano y su finalidad es una competición, pero igual pueden ser elegidas si es necesario. 

Mecanismo de tornillo sinfín cilíndrico con leva

Imagen 20 Mecanismo de tornillo sinfín cilíndrico con leva 

Mecanismo de tornillo sinfín cilíndrico con tuerca e hilera de bolas:

Imagen 21: Mecanismo de tornillo sinfín cilíndrico con tuerca e hilera de bolas 

Mecanismo de tornillo sinfín globoide y rodillo:

35

Imagen 22: Mecanismo de tornillo sinfín globoide y rodillo 

Dirección Hidráulica:

Imagen 23: Dirección Hidráulica



Dirección Electrohidráulica:

Imagen 24: Dirección Electrohidráulica

36



Dirección Eléctrica:

Imagen 25: Dirección Eléctrica 

Dirección Neumática

Imagen 26: Dirección Neumática

Otras Características del Sistema de Dirección: 

Fuerza Centrífuga: al virar un vehículo en una curva, la fuerza centrífuga

tiende a sacarlo fuera de la parte externa de ésta. La fuerza centrífuga se incrementa cuando la curva es cerrada, el peso del vehículo es mayor o cuando la velocidad del vehículo es alta. 

Ángulo de Deriva: es el ángulo formado por la dirección en que apunta el

neumático y aquella en que realmente se está desplazando éste, debido a las fuerzas laterales que actúan sobre él. Cuando se gira el volante para trazar una curva, se

37

induce un ángulo de deriva. Mayores ángulos de deriva se corresponden con una fuerza lateral mayor, dado que una mayor flexión requiere una mayor fuerza. Aunque carezcan de sistema de dirección, las ruedas traseras también desarrollan ángulo de deriva, a pesar de que siempre apunten aproximadamente en la misma dirección. 

Subviraje: es el comportamiento del vehículo al enfrentar una curva en

velocidad, cuando tiende a irse de trompa debido a que el ángulo de deriva de los neumáticos delanteros es mayor al tener una fuerza centrífuga elevada, toma una trayectoria más recta, las ruedas delanteras son exteriores con respecto a las traseras, viéndose forzado el conductora virar más para corregir la trayectoria. Generalmente esta tendencia se presenta en vehículos de tracción delantera. 

Sobreviraje: es el comportamiento que tiene un vehículo al enfrentar una

curva en velocidad cuando tiende a irse de cola debido a que el ángulo de deriva de los neumáticos traseros es mayor, toma una trayectoria más cerrada y es preciso volver a maniobrar, soltar el acelerador y acelerar para evitar el trompo. Es posible hacer sobrevirar un vehículo subvirante para sacar la cola en las curvas lentas y efectuar en derrape controlado. También es posible hacer sobrevirar un vehículo con tracción delantera utilizando el freno de mano. 

Neutro: es la actitud que tiene un vehículo al enfrentar una curva en

velocidad cuando no se transmite sensación alguna al conductor y su comportamiento será impredecible hasta que se produzca un desequilibrio en los ángulos de deriva delanteros o traseros. Para que el comportamiento sea más neutro se debe dejar levemente subvirante porque sólo basta aflojar un poco el acelerador para que recupere la estabilidad. 

Contraviraje: llamado también contramanubrio, golpe de viraje o volantazo.

Es una maniobra que se efectúa en último caso cuando el derrape de la parte trasera tiene un efecto equivalente a un incremento del ángulo de viraje, el conductor debe

38

contrarrestarlo girando el volante en sentido contrario al que requiere inicialmente la geometría de la curva.

Efecto del estado de los neumáticos en la dirección:

Un neumático con baja presión influye gravemente en las ruedas. Además de desgastarse desigualmente por los bordes de la banda de rodadura, la destrucción es acelerada debido a la gran deformación a la que está sometida la cubierta, la cual al rodar produce tensiones y deformaciones con roces en los flancos que aumentan su temperatura produciendo el corte de los tejidos que sirven para reforzar la goma. Una presión excesiva contribuye a una dirección suave, pero aumenta las trepidaciones y la fatiga en todas las articulaciones, desgastando así la cubierta desigualmente por el centro de la banda de rodadura.

En líneas generales, las cotas de la dirección

producen los siguientes efectos en los neumáticos: caídas anormales positivas o negativas, crean en el neumático diámetros variables, lo que hace que el diámetro más pequeño frote contra el suelo desgastando con gran rapidez el borde de la banda de rodadura; la salida al ser fija en la mayoría de los vehículos e influir en la caída, ocasionará el mismo efecto de desgaste en los neumáticos; la convergencia influye en el desgaste de las cubiertas, si ésta es pequeña desgasta la parte interior del neumático izquierdo, en vehículos de conducción por la izquierda y lo contrario, en aquellos que ruedan por la derecha.

SISTEMA DE SUSPENSIÓN Clasificación de Suspensiones (fuente: http://mecanicavirtual.iespana.es/suspension-tipos.htmPagina creada por Dani meganeboy. Actualizada: 26 Diciembre, 2004) La suspensión es el conjunto de elementos cuya finalidad es suspender el peso del vehículo de un soporte constituido por las ruedas. Su función principal es absorber las

39

desigualdades del terreno sobre el cual se desplaza y a la vez mantener las ruedas en contacto con el pavimento, proporcionando un nivel adecuado de confort y seguridad de marcha. Las funciones básicas de este sistema son las siguientes: reducción de fuerzas causadas por irregularidades del terreno, control de dirección del vehículo, mantenimiento de la adherencia de los neumáticos a la carretera, mantenimiento de una correcta alineación de las ruedas, soporte de carga del vehículo, mantenimiento de la altura óptima del vehículo, aislamiento de las vibraciones de alta frecuencia debido a la excitación del neumático, logara una respuesta eficaz del vehículo debido a las fuerzas de frenado, aceleración y fuerzas laterales presentes en curvas, entre otras. Los primeros sistemas de suspensión nacen a finales del siglo XIX por parte de los fabricantes de carruajes, los cuales buscaban aumentar la comodidad de éstos debido a las grandes irregularidades presentes en los caminos por los que se desplazaban, cabe destacar caminos empedrados. Luego de varios intentos tales como acolchar los asientos e introducir resortes por debajo de éstos, el problema aún no se resolvía, hasta que se creó un sistema capaz de mantener la cabida del carruaje colgada con unas correas de cuero, desde unos soportes de metal que venían de los ejes, de modo tal que ésta quedaba suspendida de cuatro correas y cuatro soportes.

Este sistema resolvió parcialmente la problemática, debido a que presentaba numerosas oscilaciones que originaban mareos en los ocupantes del carruaje. Sin embargo de aquí se deriva el concepto de suspensión: un medio elástico que además de suspender la carrocería asimile las irregularidades del terreno. Hasta 1898 las primeras suspensiones eran simples ballestas. Para amortiguar el movimiento oscilatorio de éstas se comenzaron a instalar unos amortiguadores que consistían en dos simples brazos unidos mediante tornillo con un disco de fricción entre ellos, los cuales no eran muy duraderos, teniendo como principales desventajas el comportamiento debido al desgaste y el vencimiento de la fuerza de fricción, la cual hasta que no se superara, mantendría el sistema sin amortiguación.

40

Imagen 27: Amortiguador de Fricción

Las suspensiones actuales de tipo convencional cuentan básicamente con dos elementos: el resorte, cuya función principal es absorber las irregularidades del camino para evitar transmitirlas a la carrocería, y los amortiguadores, los cuales cumplen la función de controlar las oscilaciones de la carrocería. Con la combinación de estos se logra una marcha cómoda, segura y estable, acorde con los requerimientos de los automóviles. Éstos elementos, integrados en conjuntos mecánicos que funcionan como equipo, constituyen el sistema de suspensión.

Amortiguadores:

Los amortiguadores más usados en la actualidad son los amortiguadores hidráulicos de tipo telescópico, en los cuales la fuerza de amortiguación es función creciente con la velocidad. Éstos constan de un pistón que trabaja dentro de un cilindro que contiene aceite. Sobre el pistón existen una serie de orificios y válvulas pre-comprimidas que permiten el paso del aceite de una parte a otra del pistón cuando la presión supera cierto valor dado. En este tipo de amortiguador el paso del aceite puede ser de tipo permanente, el cual consta de orificios fijos, que pudieran regularse mediante la variación del tamaño de dicho orificio. Otra forma de producirse el flujo del aceite es a través de válvulas de apertura por presión, sobre las cuales es necesario

41

ejercer una determinada presión, esta apertura se va incrementando a medida que aumenta dicha presión.

Flujo de aceite a través de paso permanente

Flujo de aceite a través de válvulas de apertura por presión

Imagen 28: Amortiguador hidráulico de tipo telescópico

Por lo general las válvulas de extensión y compresión son diferentes, esto con la finalidad que el esfuerzo de compresión sea menor para una misma velocidad. En los vehículos de carretera es conveniente utilizar una amortiguación más blanda en compresión para evitar la transmisión a través del amortiguador de las fuerzas compresivas de gran tamaño que se generarían sobre el vehículo al éste encontrarse con obstáculos.

Tipos de Amortiguadores:

Hay dos tipos de amortiguadores hidráulicos telescópicos: doble tubo y monotubo 

Amortiguadores Doble Tubo: este tipo de amortiguador es el más común en

la actualidad. Se encuentran de dos tipos: no presurizados (aceite) y presurizados (con aceite y gas). Poseen dos cámaras denominadas de interior y de reserva

42

respectivamente. Éste contiene válvulas en el pistón y en la base del amortiguador, llamada válvula de pie.

Imagen 29: Amortiguador Doble Tubo

Sus componentes principales son: cámara interior o cilindro, cámara de reserva o exterior, pistón acoplado al vástago, válvula de pie, guía del vástago, acoplamientos superior e inferior. El funcionamiento de los amortiguadores presurizados y no presurizados es similar.

Carrera de Compresión: al penetrar el vástago, el aceite contenido en la cámara interior fluye a través de los orificios y de la válvula de no retorno hacia el espacio generado al otro lado del pistón. Simultáneamente, una cierta cantidad de aceite es desplazada por el volumen que el vástago va ocupando en la cámara interior, este aceite se ve forzado a pasar por la válvula de pie hacia la cámara de reserva, en la cual está contenido aire a presión atmosférica o nitrógeno a una presión de 4 bar a 8 bar

(dependiendo

si

el

amortiguador

es

no

presurizado

o presurizado,

respectivamente). La fuerza de amortiguamiento viene dada por la resistencia que impone la válvula de pie al paso del aceite.

Carrera de Extensión: al salir el vástago, el aceite contenido por encima del pistón se comprime y fluye a través de las válvulas que éste contiene. La resistencia que el

43

aceite encuentra en estas válvulas es la fuerza de amortiguamiento de extensión. El aceite que se encontraba en la cámara de reserva retorna a la cámara interior sin encontrar resistencia en la válvula de pie, compensando así el volumen liberado por el vástago.

Amortiguadores No Presurizados:

Tienen la desventaja que se pueden formar bolsas de aire bajo las siguientes condiciones: al amortiguador se almacena en posición horizontal antes de ser instalado, la columna de aire de la cámara principal cae por gravedad cuando el vehículo permanece estático durante mucho tiempo, el aceite se contrae como consecuencia de su enfriamiento al final del un viaje y se succiona aire hacia la cámara principal.

Amortiguador Presurizado:

Posee una cámara de gas de baja presión, por lo general 4 bar, ya que por lo general la fuerza de compresión la sigue generando la válvula de pie, de esta la fuerza de extensión que realiza el amortiguador en su posición nominal es baja. Entre sus ventajas respecto a los no presurizados se encuentran: respuesta de la válvula más sensible para pequeñas amplitudes, mejor confort de marcha, mejores propiedades de amortiguación en condiciones extremas, reducción de ruido hidráulico, continuidad de operatividad al perder el gas. Respecto a los monotubos presentan la ventaja de tener menor longitud y fricción para las mismas condiciones de operación.

44

Imagen 30: Amortiguador Doble Tubo - Presurizado 

Amortiguadores Monotubo: constan de dos cámaras principales, una

contiene aceite y la otra gas (normalmente hidrógeno) separadas por un pistón flotante, solo se encuentran válvulas en el pistón.

Imagen 31: Cámaras de un Amortiguador Mono tubo Sus componentes principales son: tubo de presión, pistón acoplado al vástago, pistón flotante (separador), guía del vástago, acoplamiento superior e inferior. Su funcionamiento es el siguiente: 45

Carrera de Compresión: al no contar con una cámara de reserva como los amortiguadores doble tubo, el aceite que ocupa el espacio ocupado por el vástago al penetrar, es ubicado en una cámara de volumen variable, la cual está dividida por el pistón flotante en dos secciones, la que contiene el gas a alta presión entre 20 y 30 bar, y en la que se aloja el aceite. Al penetrar el vástago del pistón, el aceite ejerce presión sobre el pistón flotante, comprimiendo el gas e incrementando así la presión en ambos lados, a su vez el aceite fluye a través de las válvulas del pistón. La fuerza de amortiguamiento está dada por la resistencia que oponen estas válvulas al paso del aceite.

Carrera de Extensión: al salir el vástago, el aceite contenido por encima del pistón se comprime, pasando a través de las válvulas que tiene éste, al disminuir la presión en la cámara, el pistón flotante vuelve a su posición original compensando el volumen liberado por el vástago. La fuerza de amortiguamiento está dada por la resistencia que el aceite encuentra al pasar a través de las válvulas del pistón.

Entre las ventajas que presentan este tipo de amortiguadores respecto a los doble tubo no presurizados están: mejor refrigeración debido a que la cámara está en contacto directo con el aire, mayor diámetro de pistón lo cual permite reducir las presiones de operación, el nivel de aceite no baja al quedar el vehículo en forma estacionaria, no se forma espuma debido a la presurización evitando problemas de cavitación mejorando así el amortiguamiento incluso con pequeñas vibraciones de alta frecuencia, debido al pistón flotante no hay restricción en la posición de montaje. Entre las desventajas se pueden mencionar: mayores costos derivados de requerimientos superiores de precisión, valvulería más compleja, mayor necesidad de espacio lo cual puede aumentar su longitud sobre 100 mm, variaciones en la altura de la suspensión producto de la fuerza de extensión debido a la presión interna del gas y la diferencia de áreas efectivas a ambos lados del pistón.

46

Tipos de Sistemas de Suspensión:

De acuerdo al tipo de elementos empleados y la forma de montaje de los mismos, existen varios tipos de sistemas de suspensión. No todos los modelos de suspensión pueden ser montados en el eje delantero o trasero indistintamente; la mayor o menor facilidad de adaptación a las necesidades específicas de los dos ejes ha determinado una selección, por lo que cada tipo de suspensión se adapta mejor a uno de los dos ejes. Las suspensiones se pueden clasificar en tres grupos: 

Suspensiones rígidas



Suspensiones semi-rígidas



Suspensiones independientes



Suspensión Rígida: Esta suspensión tiene unidas las ruedas mediante un eje

rígido formando un conjunto. Presenta la desventaja de que al estar unidas ambas ruedas, las vibraciones producidas por la acción de las irregularidades del pavimento, se transmiten de un lado al otro del eje. Además el peso de las masas no suspendidas aumenta notablemente debido al peso del eje rígido. En estos últimos el grupo cónico sube y baja en las oscilaciones como un parte integradora del eje rígido. Como principal ventaja, los ejes rígidos destacan por su sencillez de diseño y no producen variaciones significativas en los parámetros de la rueda como caída, avance, entre otras. El principal uso de esta disposición de suspensión se realiza sobre todo en vehículos industriales, autobuses, camiones y vehículos todo terreno.

Imagen 32 Suspensión Rígida

47



Suspensión Semi-Rígida: la principal diferencia respecto a las suspensiones

rígidas es que las ruedas están unidas entre sí como en el eje rígido pero transmitiendo de una forma parcial las oscilaciones que reciben de las irregularidades del terreno. En cualquier caso aunque la suspensión no es rígida total tampoco es independiente. La función motriz se separa de la función de suspensión y de guiado o lo que es lo mismo el diferencial se une al bastidor, no es soportado por la suspensión. Entre este tipo de suspensión se encuentra la suspensión con eje "De Dion". En ella las ruedas van unidas mediante soportes articulados

al grupo

diferencial, que en la suspensión con eje „‟De Dion‟‟ es parte de la masa suspendida, es decir, va anclado al bastidor del automóvil. Bajo este aspecto se transmite el giro a las ruedas a través de dos semiejes como en las suspensiones independientes. A su vez ambas ruedas están unidas entre sí mediante una traviesa o tubo De Dion que las ancla de forma rígida permitiendo a la suspensión deslizamientos longitudinales. Este sistema tiene la ventaja, frente al eje rígido de que se disminuye la masa no suspendida debido al poco peso de la traviesa del eje „‟De Dion‟‟ y al anclaje del grupo diferencial al bastidor y mantiene los parámetros de la rueda prácticamente constantes como los ejes rígidos gracias al anclaje rígido de la traviesa. La suspensión posee además elementos elásticos de tipo muelle helicoidal y suele ir acompañada de brazos longitudinales que limitan los desplazamientos longitudinales.

Imagen 33 Suspensión Semi–Rígida: De Dion

48

Otro tipo de suspensión semi-rígida es el "eje torsional", utilizada en las suspensiones traseras, en vehículos que tienen tracción delantera. La traviesa o tubo que une las dos ruedas tiene forma de "U", por lo que es capaz de deformarse un cierto ángulo cuando una de las ruedas encuentra un obstáculo, para después una vez pasado el obstáculo volver a la posición inicial. Las ruedas están unidas rígidamente a dos brazos longitudinales unidos por un travesaño y que se tuerce durante las sacudidas no simétricas, dando estabilidad al vehículo. Esta configuración da lugar, a causa de la torsión del puente, a una recuperación parcial del ángulo de caída de alto efecto de estabilización. Este tipo de suspensiones en una de las más empleadas en vehículos de gama media - baja.

Imagen 34: Suspensión Semi - Rígida – Eje Torsional 

Suspensión Independiente: Es la más óptima desde el punto de vista de

confort y estabilidad al reducir de forma independiente las oscilaciones generadas por el pavimento sin transmitirlas de una rueda a otra del mismo eje. La principal ventaja añadida de la suspensión independiente es que posee menor peso no suspendido que otros tipos de suspensión por lo que las acciones transmitidas al chasis son de menor magnitud. El diseño de este tipo de suspensión deberá garantizar que las variaciones de caída de rueda y ancho de ruedas en las ruedas directrices deberán ser pequeñas para conseguir una dirección segura del vehículo. Por contra para cargas elevadas esta suspensión puede presentar problemas. Actualmente éste tipo de suspensión es el

49

único que se utiliza para las ruedas directrices. El número de modelos de suspensión independiente es muy amplio y además posee numerosas variantes. Los principales tipos de suspensión de tipo independiente son: -

Suspensión de eje oscilante.

-

Suspensión de brazos tirados (trailing arm).

-

Suspensión McPherson.

-

Suspensión de paralelogramo deformable.

-

Suspensión de eje oscilante: En este sistema el elemento de rodadura y el

semieje son solidarios (excepto el giro de la rueda), de forma que el conjunto oscila alrededor de una articulación próxima al plano medio longitudinal del vehículo. Este tipo de suspensión no se puede usar como eje directriz puesto que en el movimiento oscilatorio de los semiejes se altera notablemente la caída de las ruedas en las curvas. Completan el sistema de suspensión dos conjuntos muelle-amortiguador telescópico.

Imagen 35 Suspensión de Eje Oscilante -

Suspensión de brazos tirados (trailing arm): Este tipo de suspensión

independiente se caracteriza por tener dos elementos soporte o brazos en disposición longitudinal que van unidos por un extremo al bastidor y por el otro a la mangueta de la rueda. Si el eje es de tracción, el grupo diferencial va anclado al bastidor. En cualquier caso las ruedas son tiradas o arrastradas por los brazos longitudinales que pivotan en el anclaje de la carrocería. Este sistema de suspensión ha dado un gran número de variantes cuyas diferencias estriban fundamentalmente en cuál es el eje de 50

giro del brazo tirado en el anclaje al bastidor y cuál es el elemento elástico que utiliza. Los brazos tirados pueden pivotear de distintas formas: sobre un eje de giro perpendicular al plano longitudinal del vehículo, este tipo de suspensión apenas produce variaciones de vía, caída o avance de la rueda; o sobre ejes que tienen componentes longitudinales, es decir sobre ejes oblicuos al plano longitudinal del vehículo, llamándosele a esta última también como "brazos semi-arrastrados" los cuales tienen la ventaja de que no precisa estabilizadores longitudinales debido a la componente longitudinal que tiene el propio brazo o soporte. Aquí las variaciones de caída y de vía dependen de la posición e inclinación de los brazos longitudinales por lo tanto, permite que se varíe durante la marcha la caída y el avance de las ruedas con lo que se mejora la estabilidad del vehículo. En cuanto al tipo de elementos elásticos que se utilizan en estas suspensiones, se encuentran las barras de torsión y los muelles.

Imagen 36: Suspensión de Brazos Tirados (trailing arm)

-

Suspensión McPherson: Esta suspensión fue desarrollada por Earle S.

McPherson, ingeniero de Ford del cual recibe su nombre. Este sistema es uno de los más utilizados en el tren delantero aunque se puede montar igualmente en el trasero. Ha tenido mucho éxito, sobre todo en vehículos más modestos, por su sencillez de fabricación y mantenimiento, el coste de producción y el poco espacio que ocupa. Con esta suspensión es imprescindible que la carrocería sea más resistente en los puntos donde se fijan los amortiguadores y muelles, con objeto de absorber los esfuerzos transmitidos por la suspensión.

51

Imagen 37: Suspensión McPherson -

Suspensión de paralelogramo deformable: La suspensión de paralelogramo

deformable junto con la McPherson es la más utilizada en un gran número de automóviles tanto para el tren delantero como para el trasero. Esta suspensión también se denomina: suspensión por trapecio articulado y suspensión de triángulos superpuestos.

Imagen 38: Suspensión de paralelogramo deformable

El paralelogramo está formado por un brazo superior y otro inferior que están unidos al chasis a través de unos pivotes, cerrando el paralelogramo a un lado el propio chasis y al otro la propia mangueta de la rueda. La mangueta está articulada con los brazos mediante rótulas esféricas que permiten la orientación de la rueda. Los 52

elementos elásticos y los amortiguadores coaxiales son de tipo resorte helicoidal e hidráulico telescópico respectivamente y están unidos por su parte inferior al brazo inferior y por su parte superior al bastidor. Completan el sistema unos topes que evitan que el brazo inferior suba lo suficiente como para sobrepasar el límite elástico del muelle y un estabilizador lateral que va anclado al brazo inferior. Con distintas longitudes de los brazos se pueden conseguir distintas geometrías de suspensión de forma que puede variar la estabilidad y la dirección según sea el diseño de estos tipos de suspensión.

TRANSMISIÓN MECÁNICA (fuente:http://es.wikipedia.org/wiki/Transmisi%C3%B3n_mec%C3%A1nica revisión Enero 2011)

Se denomina transmisión mecánica a un mecanismo encargado de transmitir potencia entre dos o más elementos dentro de una máquina. Son parte fundamental de los elementos u órganos de una máquina, muchas veces clasificado como uno de los dos subgrupos fundamentales de éstos elementos de transmisión y elementos de sujeción. En la gran mayoría de los casos, estas transmisiones se realizan a través de elementos rotantes, ya que la transmisión de energía por rotación ocupa mucho menos espacio que aquella por traslación. Una transmisión

mecánica es

una

forma

de

intercambiar energía

mecánica distinta a las transmisiones neumáticas o hidráulicas, ya que para ejercer su función emplea el movimiento de cuerpos sólidos, como lo son los engranajes y las correas de transmisión.

53

Típicamente, la transmisión cambia la velocidad de rotación de un eje de entrada, lo que resulta en una velocidad de salida diferente. En la vida diaria se asocian habitualmente las transmisiones con los automóviles. Sin embargo, las transmisiones se emplean en una gran variedad de aplicaciones, algunas de ellas estacionarias. Las transmisiones primitivas comprenden, por ejemplo, reductores y engranajes en ángulo recto en molinos de viento o agua y máquinas de vapor, especialmente para tareas de bombeo, molienda o elevación (norias). En general, las transmisiones reducen una rotación inadecuada, de alta velocidad y bajo par motor, del eje de salida del impulsor primario a una velocidad más baja con par de giro más alto, o a la inversa. Muchos sistemas, como las transmisiones empleadas en los automóviles, incluyen la capacidad de seleccionar alguna de varias relaciones diferentes. En estos casos, la mayoría de las relaciones (llamadas usualmente "marchas" o "cambios") se emplean para reducir la velocidad de salida del motor e incrementar el par de giro; sin embargo, las relaciones más altas pueden ser sobremarchas que aumentan la velocidad de salida. También se emplean transmisiones en equipamiento naval, agrícola, industrial, de construcciones y de minería. Adicionalmente a las transmisiones convencionales

basadas

en

engranajes,

estos

dispositivos

suelen

emplear

transmisiones hidrostáticas y accionadores eléctricos de velocidad ajustable. Tipos de transmisión Entre las formas más habituales de transmisión están: 

Correas, como una correa de distribución.



Cadenas.



Barras en mecanismos articulados como el cuadrilátero articulado o el mecanismo de biela-manivela.



Cables, la mayoría únicamente funcionan a tracción, aunque hay cables especiales para transmitir otro tipo de esfuerzos como los cables de torsión.

54



Engranajes.



Ruedas de fricción, que transmiten movimiento perimetral, como las ruedas de un vehículo.



Discos de fricción, que transmiten movimiento axial, como un disco de embrague..



Chavetas y ejes nervados.



Juntas cardán y juntas homocinéticas.



Levas.



Correa de transmisión

Imagen 39: Correa de transmisión entre distintas poleas. Se

conoce

como correa

de

transmisión a

un

tipo

de transmisión

mecánica basado en la unión de dos o más ruedas, sujetas a un movimiento de rotación, por medio de una cinta o correa continua, la cual abraza a las primeras en cierto arco y en virtud de las fuerzas de fricción en su contacto arrastra a las ruedas conducidas suministrándole energía desde la rueda motriz. Es importante destacar que las correas de trasmisión basan su funcionamiento fundamentalmente en las fuerzas de fricción, esto las diferencia de otros medios de flexibles de transmisión mecánica, como lo son las cadenas de transmisión y las correas dentadas las cuales se basan en la interferencia mecánica entre los distintos elementos de la transmisión.

55

Las correas de transmisión son generalmente hechas de goma, y se pueden clasificar en dos tipos: planas y trapezoidales.

Correas Planas

Las correas planas se caracterizan por tener por sección transversal un rectángulo. Fueron el primer tipo de correas de transmisión utilizadas, pero actualmente han sido sustituidas por las correas trapezoidales. Son todavía estudiadas porque su funcionamiento representa la física básica de todas las correas de trasmisión.

Correas multipista o estriada

Actualmente están sustituyendo a las trapezoidales, ya que al permitir pasar por poleas tanto por la cara estriada (de trabajo) como por la cara plana inversa, permite recorridos mucho más largos y por lo tanto arrastrar muchos más sistemas. Además permiten el montaje de un tensor automático. En las aplicaciones más conocidas, la de los automóviles o vehículos industriales, pueden arrastrar por ejemplo a la vez: Alternador, Servodirección, Bomba de agua, Compresor de aire acondicionado, Ventilador (este último sólo en tracción trasera e industriales).

Imagen 40: Correa Multipista 56

Correas Trapezoidales A diferencia de las planas, su sección transversal es un trapecio. Esta forma es un artificio para aumentar las fuerzas de fricción entre la correa y las poleas con que interactúan. Otra versón es la trapezoidal dentada que posibilita un mejor ajuste a radios de polea menores. 

Transmisión variable continua (CVT) Una transmisión variable contínua o CVT es un tipo de transmisión

automática que puede cambiar la relación de cambio a cualquier valor arbitrario dentro de sus límites. La transmisión variable contínua no está restringida a un pequeño número de relaciones de cambio, como las 4 a 6 relaciones delanteras de las transmisiones típicas de automóviles. Este cambio automático se denomina cambio de variador continuo CVT (Continuos Variable Transmisión) ya que los desarrollos no quedan determinados por un par de engranajes, sino por dos poleas formadas por elementos cónicos, unidas por una cadena que transmite la potencia. También existe una clase de transmisión continua variable llamada CVT toroidal, cuyo funcionamiento se basa en la conexión de los dos conos (que tienen la superficie cóncava, formando el hueco de un toroide imaginario) por medio de dos o más discos de inclinación regulable, en lugar de las poleas.

57

Imagen 41: Poleas y cadena CVT Cada una de las relaciones de diámetros que pueden adoptar las poleas se corresponde con una relación de transmisión diferente, y por eso se dice que los cambios de variador tienen infinitas marchas, aunque los más modernos cuentan con una función manual en la que se puede elegir de forma secuencial entre seis o siete velocidades que corresponden a posiciones prefijadas de las poleas. El cambio de anchura de las poleas se consigue mediante la presión de un circuito hidráulico, y la transmisión de la fuerza al motor puede hacerse mediante un embrague convencional, uno electrohidráulico o un convertidor de par. Para poder obtener una marcha atrás debemos de incluir un inversor, generalmente un conjunto planetario de tipo Ravigneaux. La principal limitación de este tipo de cajas de cambios se encuentra en el par que puede transmitir la correa o cadena. Aunque a principios de los años 90, el equipo Williams F1 desarrolló una caja de cambios de este tipo para el monoplaza FW15C, uno de los coches de competición más avanzados de la historia. La posibilidad de variar continuamente la relación de transmisión hace que el motor pueda trabajar

58

siempre en el régimen de potencia máxima lo que implica una aceleración mucho mayor, un parámetro importantísimo en competición.



Cadena de transmisión Una cadena de transmisión sirve para transmitir del movimiento de arrastre de

fuerza entre ruedas dentadas.

Imagen 42: Cadenas de eslabones planos enlazados mediante pernos

Ecuaciones que describen movimiento de cadenas de transimisión Z1.ω1 = Z2.ω2 

Z = número de dientes



ω = velocidad angular/revoluciones por minuto



Mecanismo piñón cadena El mecanismo piñón cadena es un método de transmisión muy utilizado

porque permite transmitir un movimiento giratorio entre dos ejes paralelos, que estén bastante separados. Es el mecanismo de transmisión que utilizan las bicicletas, motos, y en muchas máquinas e instalaciones industriales. También se emplea en sustitución de los reductores de velocidad por poleas cuando lo importante sea evitar el

59

deslizamiento entre la rueda conductora y el mecanismo de transmisión (en este caso una cadena). El mecanismo consta de una cadena sin fin (cerrada) cuyos eslabones engranan con ruedas dentadas (piñones) que están unidas a los ejes de los mecanismos conductor y conducido. Las cadenas empleadas en esta transmisión suelen tener libertad de movimiento solo en una dirección y tienen que engranar de manera muy precisa con los dientes de los piñones. Las partes básicas de las cadenas son: placa lateral, rodillo y pasador. Las ruedas dentadas suelen ser una placa de acero sin cubo (aunque también las hay de materiales plásticos). Para la relación de transmisión valen las ecuaciones de las ruedas dentadas

Ventajas e inconvenientes

Este sistema aporta beneficios sustanciales respecto al sistema correa-polea, pues al emplear cadenas que engranan en los dientes de los piñones se evita el deslizamiento que se producía entre la correa y la polea. Presenta la gran ventaja de mantener la relación de transmisión constante (pues no existe deslizamiento) incluso transmitiendo grandes potencias entre los ejes (caso de motos y bicicletas), lo que se traduce en mayor eficiencia mecánica (mejor rendimiento). Además, las cadenas no necesitan estar tan tensas como las correas, lo que se traduce en menores averías en los rodamientos de los piñones. Presenta el inconveniente de ser más costoso, más ruidoso y de funcionamiento menos flexible, al no permitir la inversión del sentido de giro ni la transmisión entre ejes cruzados; además necesita una lubricación (engrase) adecuada.

60



Engranaje

Imagen 43: Engranajes artesanales de máquina textil. Museo de Tarrasa Barcelona

Se denomina engranaje o ruedas dentadas al mecanismo utilizado para transmitir potencia de un componente a otro dentro de una máquina. Los engranajes están formados por dos ruedas dentadas, de las cuales la mayor se denomina „corona' y la menor 'piñón'. Un engranaje sirve para transmitir movimiento circular mediante contacto de ruedas dentadas. Una de las aplicaciones más importantes de los engranajes es la transmisión del movimiento desde el eje de una fuente de energía, como puede ser un motor de combustión interna o un motor eléctrico, hasta otro eje situado a cierta distancia y que ha de realizar un trabajo. De manera que una de las ruedas está conectada por la fuente de energía y es conocido como engranaje motor y la otra está conectada al eje que debe recibir el movimiento del eje motor y que se denomina engranaje conducido. Si el sistema está compuesto de más de un par de ruedas dentadas, se denomina 'tren’. La principal ventaja que tienen las transmisiones por engranaje respecto de la transmisión por poleas es que no patinan como las poleas, con lo que se obtiene exactitud en la relación de transmisión.

61

Tipos de engranajes La principal clasificación de los engranajes se efectúa según la disposición de sus ejes de rotación y según los tipos de dentado. Según estos criterios existen los siguientes tipos de engranajes: 

Cilíndricos de dientes rectos



Cilíndricos de dientes helicoidales



Doble helicoidales

Ejes perpendiculares 

Helicoidales cruzados



Cónicos de dientes rectos



Cónicos de dientes helicoidales



Cónicos hipoides



De rueda y tornillo sin fin

Por aplicaciones especiales se pueden citar 

Planetarios



Interiores



De cremallera

Por la forma de transmitir el movimiento se pueden citar 

Transmisión simple



Transmisión con engranaje loco



Transmisión compuesta. Tren de engranajes 62

Transmisión mediante cadena o polea dentada 

Mecanismo piñón cadena



Polea dentada

Características que definen un engranaje de dientes rectos

Imagen 44: Elementos de un engranaje.

Los engranajes cilíndricos rectos son el tipo de engranaje más simple y corriente que existe. Se utilizan generalmente para velocidades pequeñas y medias; a grandes velocidades, si no son rectificados, o ha sido corregido su tallado, producen ruido cuyo nivel depende de la velocidad de giro que tengan. 

Diente de un engranaje: son los que realizan el esfuerzode empuje y transmiten la potencia desde los ejes motrices a los ejes conducidos. El perfil del diente, o sea

63

la forma de sus flancos, está constituido por dos curvas evolventes de círculo, simétricas respecto al eje que pasa por el centro del mismo. 

Módulo: el módulo de un engranaje es una característica de magnitud que se define como la relación entre la medida del diámetro primitivo expresado en milímetros y el número de dientes. En los países anglosajones se emplea otra característica llamada Diametral Pitch, que es inversamente proporcional al módulo. El valor del módulo se fija mediante cálculo de resistencia de materiales en virtud de la potencia a transmitir y en función de la relación de transmisión que se establezca. El tamaño de los dientes está normalizado. El módulo está indicado por números. Dos engranajes que engranen tienen que tener el mismo módulo.



Circunferencia primitiva: es la circunferencia a lo largo de la cual engranan los dientes. Con relación a la circunferencia primitiva se determinan todas las características que definen los diferentes elementos de los dientes de los engranajes.



Paso circular: es la longitud de la circunferencia primitiva correspondiente a un diente y un vano consecutivos.



Espesor del diente: es el grosor del diente en la zona de contacto, o sea, del diámetro primitivo.



Número de dientes: es el número de dientes que tiene el engranaje. Se simboliza como (Z). Es fundamental para calcular la relación de transmisión. El número de dientes de un engranaje no debe estar por debajo de 18 dientes cuando el ángulo de presión es 20º ni por debajo de 12 dientes cuando el ángulo de presión es de 25º.



Diámetro exterior: es el diámetro de la circunferencia que limita la parte exterior del engranaje.

64



Diámetro interior: es el diámetro de la circunferencia que limita el pie del diente.



Pie del diente: también se conoce con el nombre de dedendum. Es la parte del diente comprendida entre la circunferencia interior y la circunferencia primitiva.



Cabeza del diente: también se conoce con el nombre de adendum. Es la parte del diente comprendida entre el diámetro exterior y el diámetro primitivo.



Flanco: es la cara interior del diente, es su zona de rozamiento.



Altura del diente: es la suma de la altura de la cabeza (adendum) más la altura del pie (dedendum).



Angulo de presión: el que forma la línea de acción con la tangente a la circunferencia de paso, φ (20º ó 25º son los ángulos normalizados).



Largo del diente: es la longitud que tiene el diente del engranaje.



Distancia entre centro de dos engranajes: es la distancia que hay entre los centros de las circunferencias de los engranajes.



Relación de transmisión: es la relación de giro que existe entre el piñón conductor y la rueda conducida. La Rt puede ser reductora de velocidad o multiplicadora de velocidad. La relación de transmisión recomendada7 tanto en caso de reducción como de multiplicación depende de la velocidad que tenga la transmisión con los datos orientativos que se indican:

Velocidad lenta:

Velocidad normal :

Velocidad elevada:

65

Hay dos tipos de engranajes, los llamados de diente normal y los de diente corto cuya altura es más pequeña que el considerado como diente normal. En los engranajes de diente corto, la cabeza del diente vale (

), y la altura del pie del diente vale

(M) siendo el valor de la altura total del diente (

)

Mecanismo de Poleas dentadas

Imagen 45: Transmisión por poleas dentadas.

Para la transmisión entre dos ejes que estén separados a una distancia donde no sea económico o técnicamente imposible montar una transmisión por engranajes se recurre a un montaje con poleas dentadas que mantienen las mismas propiedades que los engranajes es decir, que evitan el patinamiento y mantienen exactitud en la relación de transmisión.

Los datos más importantes de las poleas dentadas son:

Número de dientes, paso, y ancho de la polea

66

El paso es la distancia entre los centros de las ranuras y se mide en el círculo de paso de la polea. El círculo de paso de la polea dentada coincide con la línea de paso de la banda correspondiente.

Las poleas dentadas se fabrican en diversos materiales tales como aluminio, acero y fundición.

Las poleas dentadas normalizadas se fabrican en los siguientes pasos en pulgadas: MXL: Mini Extra Ligero (0.080"), XL: Extra Ligero (0.200"), L: Ligero (0.375"), H: Pesado (0.500"), XH: Extra Pesado (0.875") y XXH: Doble Extra Pesado (1.250").

Los pasos métricos son los siguientes: T2,5 (Paso 2,5 mm), T5 (Paso 5 mm), T10 (Paso 10mm) y T20 (Paso 20 mm).

Reductores de velocidad

El problema básico de las máquinas es reducir la alta velocidad de los motores a una velocidad utilizable por los equipos de las máquinas. Además de reducir se deben contemplar las posiciones de los ejes de entrada y salida y la potencia mecánica a transmitir. Para potencias bajas se utilizan moto-reductores que son equipos formados por un motor eléctrico y un conjunto reductor integrado. Para potencias mayores se utilizan equipos reductores separados del motor. Los reductores consisten en pares de engranajes con gran diferencia de diámetros, de ésta forma el engrane de menor diámetro debe dar muchas vueltas para que el de

67

diámetro mayor de una vuelta, de esta forma se reduce la velocidad de giro. Para obtener grandes reducciones se repite este proceso colocando varios pares de engranes conectados uno a continuación del otro.

El reductor básico está formado por mecanismo de tornillo sin fin y corona. En este tipo de mecanismo el efecto del rozamiento en los flancos del diente hace que estos engranajes tengan los rendimientos más bajos de todas las transmisiones; dicho rendimiento se sitúa entre un 40 y un 90% aproximadamente, dependiendo de las características del reductor y del trabajo al que está sometido. Factores que elevan el rendimiento: 

Ángulos de avance elevados en el tornillo.



Rozamiento bajo (buena lubricación) del equipo.



Potencia transmitida elevada.



Relación de transmisión baja (factor más determinante).

Existen otras disposiciones para los engranages en los reductores de velocidad, estas se denominan conforme a la disposición del eje de salida (eje lento) en comparación con el eje de entrada (eje rápido). Así pues serían los llamados reductores de velocidad de engranajes coaxiales, paralelos, ortogonales y mixtos (paralelos + sin fin corona). En los trenes coaxiales, paralelos y ortogonales se considera un rendimiento aproximado del 97-98%, en los mixtos se estima entre un 70% y un 90% de rendimiento. Además, existen los llamados reductores de velocidad de disposicíon epicicloidal, técnicamente son de ejes coaxiales y se distinguen por su formato compacto, alta capacidad de trasmisión de par y su extrema sensibilidad a la temperatura.

68

Las cajas reductoras suelen fabricarse en fundición gris dotándola de retenes para que no salga el aceite del interior de la caja.

Características de los reductores 

Potencia, en Kw o en Hp, de entrada y de salida.



Velocidad, en RPM, de entrada y de salida.



Velocidad a la salida.(RPM).



Relación de transmisión.



Factor de seguridad o de servicio (Fs).



Par transmitido (Mn1- Eje rápido) (Mn2-Eje lento).

Relaciones de transmisión

Imagen 46: Transmisión compuesta.

Hay tres tipos de transmisiones posibles que se establecen mediante engranajes: 1. Transmisión simple. 2. Transmisión con piñón intermedio o loco. 3. Transmisión compuesta por varios engranajes conocido como tren de engranajes.

69

La transmisión simple la forman dos ruedas dentadas, el sentido de giro del eje conducido es contrario al sentido de giro del eje motor, y el valor de la relación de transmisión es:

Ecuación general de transmisión: Ecuación 5

Ecuación 6

Ecuación 7

La transmisión con piñón intermedio o loco está constituida por tres ruedas dentadas, donde la rueda dentada intermedia solamente sirve para invertir el sentido de giro del eje conducido y hacer que gire en el mismo sentido del eje motor. La relación de transmisión es la misma que en la transmisión simple.

La transmisión compuesta se utiliza cuando la relación de transmisión final es muy alta, y no se puede conseguir con una transmisión simple, o cuando la distancia entre ejes es muy grande y sería necesario hacer ruedas dentadas de gran diámetro. La transmisión compuesta consiste en ir intercalando pares de ruedas dentadas unidas entre el eje motor y el eje conducido. Estas ruedas dentadas giran de forma libre en el eje que se alojan pero están unidos de forma solidaria las dos ruedas dentadas de forma que uno de ellos actúa de rueda dentada motora y el otro actúa

70

como rueda dentada conducida. La relación de transmisión de transmisiones compuestas es:

Ecuación general de transmisión: Ecuación 8

Ecuación 9

EL CHÁSIS

Estructura base de construcción del vehículo. Tiene por función sustentar sobre su estructura todos los sistemas componentes del vehículo como así mismo pasajeros, carga y otros. El chasis o bastidor constituye en el automóvil un armazón que tiene por misión fijar sobre él, los distintos elementos que forman el automóvil tales como el sistema de dirección, sistema de frenos, de suspensión, de transmisión, carrocería, sistema de flotabilidad etc., permitiendo así la relación entre ellos. Hay dos métodos de construcción de carrocería y chasis; el de carrocería y chasis separados y el método integral. En el primero, la carrocería se une a la estructura del chasis por medio de pernos que pasan entre la base de la carrocería y la parte superior de la estructura. Para prevenir ruidos y rechinidos, se utilizan materiales antivibrantes, como el hule, son colocados entre la carrocería y la estructura, en donde se localizan los

71

pernos alternativamente. En el método integral, la carrocería y la estructura están combinadas, eliminando así los ruidos y rechinidos. Debido a los esfuerzos soportados por el automóvil en marcha habitual, los bastidores están sometidos a continuas deformaciones por lo que las características principales que deben poseer son indeformabilidad, resistencia a la flexión, a la torsión y capacidad de carga. En la actualidad existen dos tipos de bastidores en automóviles convencionales. Los utilizados en vehículos todo terreno, formados por travesaños y largueros, sobre los que se montan el resto de los elementos del vehículo junto a la carrocería. Los utilizados en la mayoría de los turismos son formados por estructuras autoportantes o monocasco formadas por una estructura de piezas y perfiles unidas entre si con gran rigidez y que aportan la ventaja de poseer menos peso en su conjunto. Esta estructura, de la cual forma parte la carrocería, forma una viga armada cuyo propósito es repartir mejor los esfuerzos soportados entre todas las partes del automóvil. En los vehículos diseñados para competencia se podría decir que los dos grandes tipos de chasis son los “monocasco” y los “tubulares”. En los primeros la diferencia entre chasis y carrocería es más difusa si cabe, ya que el chasis forma parte de la carrocería. Los chasis tubulares son los que más se emplean como refuerzo de los vehículos de competencia ya que es más sencilla su construcción y la determinación de los esfuerzos a los que pueda estar sometido. En este proyecto se va a analizar este último tipo de chasis.

72

MATERIALES La elección del material de los tubos circulares para la construcción del chasis del MiniBaja 2011 dependen de factores como las propiedades mecánicas, propiedades metalúrgicas, soldabilidad, accesibilidad y costos. Por esta razón ahondando en estos parámetros se hará una comparación entre un acero al carbono AISI-SAE 1018 y un acero aleado AISI-SAE 4130 la cual permitirá seleccionar el material más idóneo para al fabricación.

AISI-SAE 1018 Entre los aceros de bajo medio carbono, el 1018 es el más versátil por sus características; análisis controlado, mejores propiedades mecánicas que otros aceros del mismo tipo por su alto contenido de manganeso, buena soldabilidad, buena maquinabilidad. Cuando se requiere una superficie muy dura pero un centro tenaz, este acero cementado cumple perfectamente. Estirado en frío mejora sus valores de resistencia mecánica y su maquinabilidad, haciéndose muy popular para un sin número de aplicaciones. Se utiliza en la fabricación de partes para maquinaria; automotriz, línea blanca, equipo de proceso, etc.; que no estén sujetas a grandes esfuerzos. Por su ductilidad es ideal para procesos de transformación en frío como doblar, estampar, recalcar, entre otros. Sus usos típicos son flechas, tornillos, pernos, sujetadores, etc., ya cementado en engranes, piñones, y muchas aplicaciones más. Entre las formas y acabados en que se presenta este acero se encuentran las siguientes: Barra redonda, cuadrada, hexagonal y solera, laminadas o forjadas en caliente, estiradas en frío y peladas o maquinadas. Placa laminada caliente. Composición química

73

Tabla 2 Propiedades químicas del acero 1018 C

Si

Mn

P máx..

S máx..

0.15-0.20

0.15-0.35

0.60-0.90

0.040

0.050

Fuente: http://www.acerospalmexico.com.mx/1018.htm Los aceros al carbono (específicamente el AISI 1018) pueden utilizarse con éxito si la resistencia y otros requerimientos mecánicos no son demasiado severos. Estos aceros tienen un coste relativamente bajo, pero presentan las siguientes limitaciones: -Los aceros al carbono no pueden ser endurecidos más allá de aproximadamente de 690 MPa (100.000 PSI) sin que se produzca una pérdida sustancial de ductilidad y resistencia al impacto. -No pueden obtenerse con estructura totalmente martensítica aceros al carbono con secciones de gran espesor. Esto es, no son endurecibles en profundidad. -Los aceros al carbono tienen baja resistencia a la corrosión y a la oxidación. -Los aceros de contenido medio en carbono deben templarse rápidamente para obtener una estructura totalmente martensítica. El temple rápido puede provocar distorsiones y fracturas en la parte tratada térmicamente. -Los aceros al carbono tienen poca resistencia al impacto a bajas temperaturas.

AISI-SAE 4130 Este

es

un

acero

al

cromo-molibdeno,

comúnmente

denominado

“cromomolio”. En el mercado se encuentran tubos circulares estructurales de AISISAE 4130 con las siguientes características geométricas:

74

Tabla 3 Diámetros y espesores Diámetro exterior (in)

Espesor de pared (in)

1

0,035

1

0,049

1¼

0,065 Fuente: Pérez J.

Esta aleación de acero cuyo código es AISI-SAE 4130 contiene cromo y molibdeno como agentes de reforzamiento, el contenido de carbono es nominalmente 0,30% y con esto relativamente un razonable contenido de carbono lo cual hace que la aleación sea excelente en la fusión y soldabilidad de estructuras. Las aplicaciones típica incluyen el uso de estructuras en la ingeniería de aeronaves y aplicaciones en el ámbito automotriz. Su soldabilidad es muy buena para todos los métodos comerciales que se han desarrollado hasta el presente, en especial la TIG que reduce el riesgo de imperfecciones en el cordón. Tabla 4 Composición química del cromo-molibdeno

Fuente: SUMINDU Si bien el cromo interviene en la resistencia a la corrosión, es sabido que el molibdeno mejora francamente las propiedades del acero en lo que respecta a fluencia lenta. La acción del molibdeno ha sido objeto de innumerables estudios algunos de los cuales se encuentran resumidos y agrupados en los siguientes dos gráficos.

75

Imagen 47: Cargas para lograr alargamiento de 1% a 1000h

Tabla 5 Efectos por adicion de un 5% de C

La imagen 47 representa las cargas necesarias para lograr un alargamiento del 1% al cabo de 10000 horas, en función de la temperatura, correspondientes a diferentes tipos de aceros con C-Mo, Mn-Mo y Cr-Mo. Se observará, en especial que un acero sin cromo con un 0,5 por ciento de molibdeno (curva 1) se comporta tan bien como otro que tenga un 4,6% de cromo y un 0,5 por ciento de molibdeno (curva 5), por lo menos hasta los 600°C; en todo caso, el acero sin cromo será destruido más rápidamente por oxidación en caliente. La tabla 6 muestra el efecto de la adición de un 0,5 por ciento de molibdeno al acero con 5 por ciento de cromo en lo que se refiere a las propiedades de fluencia lenta.

76

Imagen 48 efecto de la adición de un 0,5 por ciento de molibdeno al acero con 5 por ciento de cromo

En el presente la producción de acero aleado AISI-SAE 4130 en Venezuela es casi nula, lo cual conlleva a la única opción para la adquisición, es decir, la importación haciendo que los costos se eleven considerablemente. Para superar las deficiencias de los aceros al carbono (AISI-SAE 1018 por ejemplo) se han desarrollado aceros aleados que contienen elementos de aleación que mejoran las propiedades, por ejemplo el acero aleado AISI-SAE 4130 que contiene como aleantes principales el cromo y el molibdeno; el cromo mejora la tenacidad, la templabilidad, la resistencia al desgaste y a la corrosión y la resistencia a altas temperaturas; mejora la profundidad de endurecimiento, resultado del tratamiento térmico al promover la carburización. El molibdeno mejora la capacidad de endurecimiento, la resistencia al desgaste, la tenacidad, la resistencia a temperatura elevada, la resistencia a la termofluencia y la dureza; minimiza la fragilización por temple. Los aceros aleados, en general, son más costos que los aceros al carbono, pero para muchas aplicaciones y en especial la fabricación del chasis, son los únicos materiales que pueden usarse para satisfacer los requerimientos exigidos por las reglas SAE 2010. Por esta razón se selecciona el acero AISI-SAE 4130 como material principal para la fabricación del chasis.

77

MODELO DE SOFTWARE (fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Autodesk_Inventor revisado abril 2011)

Autodesk Inventor

Autodesk Inventor es un paquete de modelado paramétrico de sólidos en 3D producido por la empresa de software Autodesk. Compite con otros programas de diseño asistido por computadora como SolidWorks, Pro/ENGINEER, CATIA y Solid Edge. Entró en el mercado en 1999, muchos años después que los antes mencionados y se agregó a las Series de Diseño Mecánico de Autodesk como una respuesta de la empresa a la creciente migración de su base de clientes de diseño mecánico en dos dimensiones

hacia

la

competencia,

permitiendo

que

los computadoras

personales ordinarias puedan construir y probar montajes de modelos extensos y complejos.

Funcionalidad

Autodesk Inventor se basa en técnicas de modelado paramétrico. Los usuarios comienzan diseñando piezas que se pueden combinar en ensamblajes. Corrigiendo piezas y ensamblajes pueden obtenerse diversas variantes. Como modelador paramétrico, no debe ser confundido con los programas tradicionales de CAD. Inventor se utiliza en diseño de ingeniería para producir y perfeccionar productos nuevos, mientras que en programas como Autocad se conducen solo las dimensiones. Un modelador paramétrico permite modelar la geometría, dimensión y material de manera que si se alteran las dimensiones, la geometría actualiza automáticamente

78

basándose en las nuevas dimensiones. Esto permite que el diseñador almacene sus conocimientos de cálculo dentro del modelo, a diferencia del modelado no paramétrico, que está más relacionado con un “tablero de bocetos digitales”. Inventor también tiene herramientas para la creación de piezas metálicas. Los bloques de construcción cruciales de Inventor son las piezas. Se crean definiendo las características , que a su vez se basan en bocetos (dibujos en 2D). Por ejemplo, para hacer un cubo simple, un usuario primero haría un boceto con forma de cuadrado y después utilizaría la herramienta extrusión para levantar el cuadrado y darle volumen, convirtiéndolo en el cubo. Si un usuario desea entonces agregar un eje que salga del cubo, podría agregar un boceto en la cara deseada, dibujar un círculo y después extruirlo para crear un eje. También pueden utilizarse los planos de trabajo para producir los bocetos que se pueden compensar de los planos útiles de la partición. La ventaja de este diseño es que todos los bocetos y las características se pueden corregir más adelante, sin tener que hacer de nuevo la partición entera. Este sistema de modelado es mucho más intuitivo que en ambientes antíguos de modelado, en los que para cambiar dimensiones básicas era necesario generalmente suprimir el archivo entero y comenzar de cero.

Como parte final del proceso, las partes se conectan para hacer ensamblajes. Los ensamblajes pueden consistir en piezas u otros ensamblajes. Las piezas son ensambladas agregando restricciones entre las superficies, bordes, planos, puntos y ejes. Por ejemplo, si uno coloca un piñón sobre un eje, una restricción insertada podría agregarse al eje y el piñón haciendo que el centro del eje sea el centro del piñón. La distancia entre la superficie del piñón y del extremo del eje se puede también

especificar

con

la

restricción

insertada.

Otras

restricciones

incluyen flush, mate (acoplar), insert (insertar), angle (ángulo) y tangent (tangente).

79

Este método de modelado permite la creación de ensamblajes muy grandes y complejos, especialmente porque los sistemas de piezas pueden ser puestos juntos antes de que se ensamblen en el ensamblaje principal; algunos proyectos pueden tener muchos sub-ensamblajes parciales.

Inventor utiliza formatos específicos de archivo para las piezas (.IPT), ensamblajes (.IAM)

y

vista

del

dibujo

(.IDW),

pero

el

formato

del

archivo

de

AutoCAD .DWG puede ser importado/exportado como boceto.

Las últimas versiones de Inventor incluyen funcionalidades que poseían muchos modeladores 3D de mediano y alto nivel. Utiliza el Gestor de Formas (Shape Manager) como su kernel de modelaje geométrico, el cual pertenece a Autodesk y fué derivado del kernel de modelaje ACIS.

80

CAPÍTULO III MARCO METODOLOGICO

Naturaleza de la investigación. El presente trabajo de investigación es un estudio enmarcado en un proyecto técnico, apoyándose en un trabajo de campo y una investigación documental, en el cual se trató de realizar un estudio sobre la problemática presente en el taller de la organización Baja SAE UNEXPO VRB, en la cual cada año se debe construir un vehículo capaz de cumplir con todas las normativas dadas por la SAE INTERNATIONAL, debido a esto no existe ningún procedimiento a seguir para la construcción del prototipo de manera sistemática. Se considera un proyecto técnico, según Uzcategui (2005) “Al análisis sistemático de una situación o problema en la empresa, con el propósito de describirlo, explicar la naturaleza y factores constituyentes” (pág. 23) Para el desarrollo del proyecto se utilizó una investigación de campo según Arias, (1997), explica que “La investigación de campo, consiste en la recolección de datos directamente de la realidad donde ocurren los hechos, sin manipular o controlar variable alguna.” (pág. 50). Arias, (Ob. cit.) explica que una investigación documental “Es aquella que se basas en la obtención y análisis de datos provenientes de materiales impresos u otros tipos de documentos” (pág. 49). En este proyecto se utilizó las diferentes bibliografías, documentos, internet y artículos, para el desarrollo del mismo.

Ubicación. La UNEXPO- Barquisimeto está conformada por tres vicerrectorados y tres núcleos, ofreciendo las carreras señaladas a continuación: 81

Dirección

Tabla 6 Ubicación vicerrectorado Barquisimeto Carreras

Vicerrectorado Barquisimeto: Av. Corpahuaico entre Av. La salle y rotaria. Barquisimeto 3001. Venezuela

Ingeniería metalúrgica Ingeniería industrial Ingeniería química Ingeniería eléctrica

Teléfonos

Ingeniería electrónica

(0251) 442.01.33 / 442.02.33 / 442.03.33

Ingeniería mecánica

/ 442.04.33 / fax 442.35.49 /441.32.11

Fuente: Ramirez A. (2008)

Dentro de las instalaciones de la UNEXPO vicerrectorado Barquisimeto se encuentra la sede de la organización Baja SAE UNEXPO VRB en su estructura cuenta con un taller de herramientas y construcción, un área común para integrantes y una sala de estudio y diseño de proyectos.

La misión que esta organización posee es la de incentivar, promover, desarrollar y consolidar proyectos de ingeniería de diversa índole dentro de la UNEXPO para complementar y aplicar los conocimientos técnicos adquiridos en la universidad brindando la oportunidad a los estudiantes de obtener experiencia en el trabajo en equipo, la organización, la técnica y la administración de proyectos de ingeniería. El área de estudio es el taller de construcción que posee el equipo de Baja SAE UNEXPO VRB donde se analizó la implementación de un procedimiento para la construcción de estos vehículos de fabricación anual.

82

Sujeto de la investigación. Según Sabino, C. (1992), “Se define como sujeto como la persona (o equipo de personas) que adquiere o elabora el conocimiento.” (pág. 32) De acuerdo al Manual de Trabajos de grado de especialización, maestría y tesis doctorales del pedagógico (2003), explica que en el caso de los estudios de campo realizados con enfoques en los cuales los conceptos de población y muestra no sean aplicables, se describirán los sujetos de estudio, el cual indica la cantidad de personas, instituciones o cosas a las cuales se refiere la investigación. (pág. 27) La organización Baja SAE UNEXPO VRB se encarga de diseñar y construir un prototipo de vehículo todo terreno robusto y monoplaza, tipo Baja, siguiendo las reglas de la organización SAE Internacional. El diseño del vehículo debe ser atractivo a los consumidores por su apariencia visual, desempeño, confiabilidad y facilidad de operación y mantenimiento. Este debe ser manufacturable usando predominantemente mano de obra semi-calificada y máquinas herramienta estándar. Una operación segura debe ser una consideración esencial en el diseño del prototipo. En la tabla N°7 se muestra la unidad de estudio de este proyecto. Tabla 7 unidad de estudio Tipos

Descripción

Cantidad

Directivos

5

Integrantes del equipo

25

Total

30

Sujeto

83

Objetos

Esmeril

3

Soldadora TIG

1

Taladros

2

Tronzadora

1

Total

7

Fuente: datos suministrados por directivos de la organización SAE UNEXPO VRB

Estructura del diseño del proyecto. La ejecución de este proyecto se realizó en tres fases, las cuales se describen en la tabla N° 7 Fases del proyecto Tabla 8 fases del Proyecto Fase Descripción

Evidencia

Diagnóstico situacional Aplicación de las técnicas y herramientas I II

del taller Análisis información

III

Elaboración proyecto

de

la Análisis de los datos obtenidos en la etapa de diagnóstico del Acciones a tomar para cumplir con los requisitos de SAE INTERNATIONAL

84

FASE I: Diagnóstico.

En ésta primera fase de la investigación se identificó y se delimitó el problema en estudio, analizando la situación actual del mismo, sus limitaciones y restricciones de acuerdo a los reglamentos que rigen la construcción del Baja, se inicia con la búsqueda y recopilación de la información necesaria de carácter bibliográfico referente a cada una de las 5 áreas principales de investigación. También se examinó las condiciones de las instalaciones y herramientas disponibles para la fabricación y ensamblaje del vehículo Baja.

Técnicas e Instrumentos de Recolección de Información. Observación Directa Mediante la

aplicación de herramientas de campo como la observación

directa, el investigador se pone en contacto personalmente con el hecho a investigar, lo que permite inspeccionar detalladamente las instalaciones de la empresa así como también, dimensionar en su totalidad cada una de las cavas y áreas de trabajo de la planta. Según, Meléndez. O. (2004). Guía teórica y práctica de metodología de la investigación: “La observación directa del fenómeno en estudio es una técnica bastante objetiva de recolección; con ella puede obtener información aun cuando no exista el deseo de proporcionarla y es independiente de la capacidad y de la veracidad de las personas a estudiar “ Entrevista no Estructurada Con el objeto de recopilar todos los datos necesarios para el diseño del procedimiento, se implementó como instrumento la entrevista no estructurada, que consiste en la obtención de datos mediante la interacción verbal entre dos o más

85

personas, sin el uso de un cuestionario previamente estructurado. En tal sentido, Meléndez. O. (Ob. Cit.). Guía teórica y práctica de metodología de la investigación menciona que la entrevista no estructurada. “Deja una mayor libertad a la iniciativa de la persona interrogada y el encuestador, tratándose en general de preguntas abiertas que son respondidas dentro de una conversación teniendo como característica principal la ausencia de una estandarización formal. Este tipo de entrevista puede adoptar tres modalidades: Entrevista focalizada, entrevista clínica, entrevista no dirigida.”

Recursos Autodesk Inventor Professional 2010, AutoCAD Mechanical, ANSYS, Lotus Suspension Analysis v4.03, Solid Works. Estos programas se usarán como herramientas para diseñar y realizar un posterior análisis en cada área de los sistemas en estudio.

FASE II Análisis de la información.

Esta etapa consistió en el análisis e interpretación de la información recolectada en las técnicas y herramientas detalladas anteriormente, con el propósito de clasificarla y colocarle las respectivas ponderaciones según el grado de importancia en el problema planteado en este estudio; aparte de ir conociendo las fallas que existen para cumplir con las exigencias de las reglas dadas por SAE INTERNATIONAL 2011.

86

FASE III. Elaboración del proyecto.

En esta fase se procedió a elaborar el procedimiento a seguir para el diseño de un vehículo categoría Mini Baja-SAE bajo las normas del año 2011 en la Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre”. En ella se desarrollo las etapas de diseño del vehículo, en particular los sistemas de suspensión, dirección, frenos chasis y transmisión todos ellos analizados bajo todas las normas, factores y consideraciones de diseño. En busca de implantar un sistema de diseño dentro del taller con procedimientos detallados que permiten el buen funcionamiento y coordinación del mismo.

87

CAPITULO IV ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS Las fases descritas en el capítulo anterior fueron realizadas de lo cual se obtuvieron los siguientes resultados: FASE I: Diagnóstico Como parte de las actividades plateadas se consultaron todas las fuentes bibliográficas correspondientes a todos las partes necesarias para la realización de este trabajo, en ellas se indagó conocimientos sobre: suspensión, dirección, chasis, transmisión y frenos, con el fin de tomar las decisiones más pertinentes y acertadas para el diseño del prototipo. Mediante la aplicación de la entrevista no estructurada, se pudo conocer diversos factores que permiten orientar la fabricación de los sistemas del vehículo. Se realizaron entrevistas a diversas personas con experiencia en la realización de este tipo de proyectos tales como John Perry, José Rodríguez, Luis Corado y Arquímedes Quintana, Gonzalo Márquez, Oscar Ramos estudiantes de Ingeniería Mecánica de la UNEXPO VRB, los cuales como integrantes del grupo estudiantil SAE UNEXPO VRB, poseen la experiencia de la realización de un prototipo en el año 2009 y 2010. Así bien, otros resultados producto de la aplicación de las entrevista fue la adquisición de experiencia del diseño y construcción de los antíguos prototipos, se logró establecer las diferencias entre los prototipos ventajas y desventajas de los sistemas utilizados, detalles al momento de la selección de piezas y diseño de algunos de los elementos que componen el vehículo, a su vez se pudo conocer las diferentes alternativas para la adquisición de los elementos que conforman los sistemas. De esta manera se logró sintetizar toda la información disponible para la realización del proyecto.

88

FASE II: Análisis De La Información Luego de realizadas todas las investigaciones y revisiones bibliográficas correspondientes para la adquisición de conocimientos sobre los elementos de estudios de pudo obtener el siguiente análisis: Se ha determinado que el orden más idóneo para la realización de este trabajo es: en primer lugar la suspensión posteriormente la dirección y así respectivamente el chasis, transmisión y frenos. Es muy importante seguir este orden debido a que para la obtención de valores o datos necesarios para el diseño de una pieza dependen del diseño anterior, por ejemplo, para poder realizar todos los cálculos y la colocación de la transmisión en necesario haber realizado el diseño del chasis. Dentro de un nivel más profundo en cada área de diseño se estableció que para el diseño de la suspensión delantera es más efectiva debido a su factibilidad técnica operativa y económica la suspensión tipo Double Wishbone llamado en español sistema de doble meseta, en donde el amortiguador sería montado en el brazo inferior y para el diseño de la suspensión trasera existen más tipos disponibles para su elección, sin embargo la más recomendable es la suspensión de brazos tirados, también

llamada por su denominación en inglés Trailing Arm debido a su

simplicidad de construcción y diseño pero se repite que existen otros tipos también aplicables. Así bien para el diseño del chasis se recomienda tener muy en cuenta los valores obtenidos en el diseño de la suspensión pues este será el cuerpo del vehículo donde será instalada dicha suspensión y demás sistemas, también es necesario el conocimiento a plenitud de todas las reglas dictadas por la SAE International, las cuales son muy específicas en esta parte del diseño del vehículo, es muy importante conocer el nombre de todas las partes que componen el chasis, todas ellas definidas en las reglas SAE, por último es recomendable que al momento de su diseño sean

89

considerados los puntos de sujeción de los sistemas de transmisión y frenos debido a que estos valores son necesarios para su diseño. Por último en el diseño de la transmisión. Luego de diseñado el chasis se estudia la colocación y distanciado para los elementos de transmisión de potencia del vehículo, para el cálculo de esta sección se recomienda la utilización de un sistema de transmisión compuesto por un motor, una CVT y un sistema reductor compuesto por cadenas y coronas. El sistema de cadenas y coronas es más recomendable sobre los sistemas de engranajes debido a su proceso constructivo, hay que recordar que la mayor parte de la construcción de estos vehículos es realizada por estudiantes con pocos o ningún conocimiento sobre la construcción de vehículos y debido a la ausencia de mano de obra capacitada este sistema permite más errores constructivos como son la desalineación de ejes, distancia entre centros indicada, lubricación necesaria entre otras, sin embargo la utilización de sistemas de engranajes u otro tipo de mecanismos de trasmisión de potencia es aceptado.

FASE III. Elaboración del proyecto. Antes de comenzar la elaboración de este proyecto se quiere aclarar que todos los sistemas diseñados en este trabajo son perfectamente aplicables en el diseño del prototipo del mini BAJA 2011 y fueron realizados con dicho fin, sin embargo son abiertos a modificaciones y consideraciones de diseño posteriores. Para el comienzo de la realización del diseño de un procediendo para la construcción de vehículos tipo mini BAJA SAE será realizado un esquema el cual muestra de una manera global todas las fases o pasos en orden específico para el diseño de un vehículo de esta clase ese esquema es:

90

1. Sistema de suspensión 1.1.Dimensiones del vehículo. 1.2.Partes que conforman la suspensión. 1.3.Diseño de suspensión delantera. 1.4.Diseño de la suspensión trasera. 2. Sistema de dirección: 2.1.Parámetros a Considerar para el Diseño del Sistema de Dirección. 2.2.Elementos que conforman la dirección. 2.3.Diseño del sistema de dirección. 3. Diseño Del Chasis. 3.1.Reglas para la fabricación de el chasis según la SAE international 2011. 3.2.Diseño de el Chasis teniendo en cuenta las reglas y realizando un análisis a cada parte por separado. 3.3.Diseño de partes del chasis no estipuladas en el reglamento SAE 2011. 4. Sistema de Transmisión 4.1.Elementos que conforman la transmisión. 4.2.Cálculos necesarios para la realización de una transmisión. 4.3.Diseño de los elementos de la transmisión. 5. Sistema de frenos. 5.1.Elementos que conforman el sistema de frenos. 5.2.Cálculos necesarios para la selección de frenos. 5.3.Selección de frenos. 5.4.Diseño de sistema de frenos. El todas las fases de diseño estarán enfocadas al diseño de los elementos que se utilizaran para el prototipo del mini BAJA 2011, con la finalidad de ir aplicando el procedimiento que se está diseñando y obtener como producto final el procedimiento que se está enfocando este trabajo y también el diseño completo de todos los sistemas que serán utilizados como base para el diseño del vehículo mini BAJA 2011.

91

1. Sistema de suspensión: La suspensión de un vehículo tiene como objetivo “absorber” las desigualdades del terreno sobre el que se desplaza, a la vez que mantiene las ruedas en contacto con el suelo. Es el sistema conformado por acumuladores y disipadores de energía, que vincula al vehículo con el suelo, buscando optimizar el desempeño dinámico del mismo. Su objetivo principal es permitir al piloto tener el mayor control posible sobre la maniobrabilidad del vehículo en diferentes circunstancias. Este sistema es uno de los sistemas más importantes dentro del vehículo puesto a que debido a él se podrá contar con la capacidad de estar en terrenos difíciles además de poder darnos la capacidad de separar el chasis de el suelo con las ruedas logrando así que pueda desplazarse, éste sistema también es uno de las más complejos en diseñar puesto a que su geometría es complicada y su trabajo es especial se requieren conocimientos de trigonometría bastante avanzados y de razonamiento espacial para la ubicación de sus puntos, es por ello que se debe prestar mucha atención a este sistema debido a que en él se pueden cometer errores de cálculo que podrían ser desastrosos para el prototipo. Es por esta complejidad que se hace necesaria la utilización de un software especializado para este fin, el software utilizado será LOTUS SUSPENSION ANALISIS v4.03 el cual se hablará de él más adelante y se explicará cómo es la utilización del mismo. El sistema de suspensión no presenta ningún tipo de regulación o limitación reflejada en las reglas Baja SAE 2011, solo se hace mención en lo citado y traducido a continuación:

92

ARTICULO 13: Dirección, suspensiones y sistemas de flotación B13.1 Sistemas de flotación - Concursos Solamente Agua Los vehículos que participan en eventos de agua deben ser estáticamente estables en balanceo y cabeceo mientras flota. Cavidades de flotación boyante debe estar cerrada (no inundables), con un diámetro de las células máximo de 10 mm (0,4 pulg.) Tubos, neumáticos, marco, cubiertas y equipos de otro vehículo también debe ser cerrada si contribuyen a la flotabilidad, pero están exentos de la obligación de células diámetro máximo. ARTÍCULO 14: FIJACIONES B14.1 Cierres en el motor, dirección, suspensión, frenos (discos y bares sesgo están exentos); pedal del acelerador y los sistemas de controlador de sistema de seguridad debe cumplir las siguientes pautas. B14.2 Cierres en cautividad Los sujetadores deben hacerse en cautividad a través del uso de tuercas nylon, tuercas, chavetas o la seguridad de los pernos de cable (en aplicaciones de ciegos). Arandelas de bloqueo o selladores de roscas no cumplan con este requisito. B14.4 hilo de la exposición Elementos roscados de sujeción utilizados deben tener por lo menos dos (2) temas que muestran más allá de la tuerca Al no estar regulada la suspensión del Baja, se da libertad para la elección de cualquier tipo de suspensión pero siempre tomando en cuenta que satisfaga los siguientes requisitos: 

Satisfacer las pruebas dinámicas de la competencia enfocada a un vehículo todo terreno.

93



Ofrecer suficiente rigidez, para que el ángulo de rolido del chasis no supere el valor máximo deseado.



Permitir controlar la variación del ángulo del camber del neumático, buscando que la mayor parte del tiempo se obtenga la mayor adherencia posible entre el neumático y el suelo.



Absorber las vibraciones producidas por el terreno. Para esto, el peso no soportado debe ser lo más pequeño posible, haciendo que la frecuencia natural del sistema sea la más alta posible, disminuyendo las amplitudes en el sistema.



Presentar el mínimo efecto de Bump steer y el mínimo efecto de jacking.



Ocupar el menor espacio posible.



Que en las vinculaciones entre la rueda y la armadura del chasis hallan desplazamientos mínimos.

1.1 Dimensiones del vehículo. El reglamento 2010 de SAE International para vehículos Baja SAE, en su artículo 20.2.1 hace mención a las dimensiones máximas del vehículo, limitando el ancho del mismo. Dicho artículo se cita a continuación: B1.1.2. Dimensiones Máximas del Vehículo: Ancho: 162 cm (64 pulgadas) en el punto más ancho con las ruedas en su posición estática. Largo: sin restricciones ver nota debajo. NOTA: Los equipos deben tener en cuenta que los recorridos de Baja SAE están diseñados para vehículos con dimensiones máximas de 64 pulgadas de ancho por 108 pulgadas de largo”

Dimensiones de los Neumáticos delanteros: Para vehículos Mini Baja, es posible usar cualquier tipo de neumático utilizado en motos todo terreno (ATV), con la elección de los neumáticos delanteros ya se determina la distancia a la cual estará ubicado el eje delantero, con lo cual se tiene una primera referencia para el sistema de

94

suspensión en reposo. Para el diseño de el prototipo 2011 se seleccionan los neumáticos delanteros con las medidas (en pulgadas) mostradas en la figura 1.

FIGURA 1 Dimensiones de Neumáticos Delanteros

Dimensiones de los Neumáticos traseros: debido a que el vehículo Mini Baja se someterá a decisión si será anfibio solo todo terreno, debe poseer la capacidad de flotar y propulsarse en el agua, por el cual se eligen unos neumáticos de mayor diámetro y ancho, debido a sus mejores cualidades de agarre y desplazamiento si se desea solo competir en la competencia todo terreno es más recomendable una selección de neumáticos más acorde puesto a que estos influyen enormemente en el desempeño del vehículo. Al tener las dimensiones de los neumáticos traseros, se determina la distancia de reposo del eje trasero, con lo cual se tiene una primera referencia para el sistema de suspensión trasero. Las medidas (en pulgadas) de los neumáticos traseros pueden apreciarse en la figura 2.

FIGURA 2 Dimensiones de Neumáticos Traseros

95

Dimensiones a considerar del Chasis: en primer lugar, se desea una distancia entre ejes de 1350 mm (1,35m), al conocer esta medidas, se determina la distancia a la cual deberá estar el eje trasero del punto de sujeción del chasis para la suspensión trasera, así como el ángulo de los brazos de suspensión en el reposo. Dichas medidas se pueden observar en la figura 3.

FIGURA 3 Distancia entre Ejes del Vehículo

Geometría de la Suspensión Trasera: Se desea un ancho máximo entre ruedas traseras de 1,50 m, por lo cual se dispone a conocer las medidas nominales de los brazos de suspensión traseros, la figura 4 muestra una vista posterior del vehículo, en la cual se observa el ancho entre ruedas. A su vez en una vista superior (figura 5) se aprecia la distancia entre pivotes de la suspensión, denominada vía, de 1,2 m (1200 mm) y las medidas nominales que deberán cumplir los brazos de suspensión traseros.

96

FIGURA 4 Vista Posterior del Vehículo

FIGURA 5 : Vista Superior del Vehículo

97

Finalmente las medidas nominales para la suspensión trasera son las siguientes:

FIGURA 6 : Medidas Nominales de la Suspensión Trasera en la vista superior

Dimensiones a considerar del Chasis: Por consideraciones de diseño, se propone una distancia mínima de 350 mm y máxima de 550 mm para el ancho del habitáculo sobre el cual estarán alojados los pies del piloto, lo cual le permitirá tener la libertad suficiente para poder desplazarse y accionar los pedales de freno y acelerador. A su vez el chasis deberá tener una altura sobre el piso de 400 mm. Se puede observar, en una vista frontal, las medidas nominales del habitáculo en la siguiente figura:

FIGURA 7 Vista Frontal del Habitáculo

98

Geometría de la Suspensión Delantera: En base a las distancias del habitáculo, y tomando en consideración el ancho máximo permitido, se construye la geometría de la suspensión, con la finalidad de tener un ancho máximo de 1580 mm, tal como se observa en la figura 8

. FIGURA 8 Ancho Máximo del Vehículo

Distribución del peso del vehículo: por lo general para vehículos Mini Baja se desea una distribución del peso de la siguiente manera: 60% trasera, 40% delantera. Con una masa del vehículo de aproximadamente 370 kg (con piloto), la distribución en el eje delantero sería aproximadamente de 75 kg en cada rueda (R = 735,75 N)

1.2 Partes que conforman la suspensión. El sistema de suspensión esta compuesto de partes que son las mismas indiferentemente del sistema de suspensión que se elija y por otra parte cada tipo de suspensión tiene partes que las distingue sin embargo no varían mucho en cuanto su

99

unión con el chasis y demás partes que unen a los neumáticos. Estos varían dependiendo si son de la suspensión trasera o delantera y en otros casos si es tracción delantera, trasera o tracción en las cuatro ruedas, debido a la configuración de los vehículos de este tipo los mini BAJA SAE son tracción trasera. Las partes que conforman una suspensión delantera son: 

El neumático: al girar en un sentido nos dan un movimiento rectilíneo además forman parte de amortiguación del vehículo.



El rin: elemento que une al caucho con la manzana.



La manzana: pieza que se encuentra sobre rodamientos colocados en la punta de eje y este se une al rin, en ella se coloca el disco de freno.



Rodamientos de la punta de eje: permiten que el conjunto manzana, rin caucho giren independientemente sin efecto en la punta de eje.



Punta de eje: eje de sujeción de los rodamientos que suspenden la manzana y esta se une al portamasas.



Portamasas; parte importante del sistema se suspensión debido a que ella une los brazos de la suspensión sin importar el tipo que sea además se une con la punta de eje y posee el punto de sujeción de las varillas de la dirección permitiendo así girar el vehículo.



Rod ends: son elementos de unión, básicamente se componen de una varilla roscada y una punta que posee dentro una esfera perforada, estos permiten unir dos elementos pero permitiendo cierta flexibilidad entre ellos (la mayoría de estos puede variar su ángulo de trabajo entre 20° y 35° dependiendo de su tamaño y configuración).



Brazos de suspensión: estos dependen del tipo de suspensión elegida, sin embargo se encargan de unir el porta masas y todo lo demás que va unido al caucho con el chasis, también poseen el punto de sujeción del amortiguador que en conjunto tienen un movimiento oscilatorio.



Amortiguador: este absorbe los impactos, saltos, giros, etc., a los que puede ser sometida la suspensión del vehículo, además también es el que permite suspender el chasis del suelo cuando se une el conjunto de los brazos de suspensión y el chasis.

100



Soportes de los brazos de suspensión: no son más que elementos de unión de los brazos de suspensión con el chasis pueden ser simples orejas o diseños mas específicos dependiendo el diseño del chasis. Las partes que componen la suspensión trasera son más sencillas debido a que no poseen porta masas y su diseño es más sencillo sus partes son:



El neumático: al girar en un sentido nos dan un movimiento rectilíneo además forman parte de amortiguación del vehículo.



El rin: elemento que une al caucho con la manzana.



La manzana: pieza que proporciona el movimiento giratorio al rin a su vez al caucho puesto a que tiene un agujero interno el cual es unido a un eje por medio de dientes de engrane alargados, este eje viene siendo parte de la transmisión del vehículo.



Rodamiento: separa el movimiento giratorio del eje de los brazos de suspensión.



Brazos de suspensión: estos dependen del tipo de suspensión elegida, sin embargo se encargan de unir el chasis con el rodamiento que posee el eje de transmisión y todo lo demás que va unido al caucho, también poseen el punto de sujeción del amortiguador que en conjunto tienen un movimiento oscilatorio.



Amortiguador: este absorbe los impactos, saltos, giros, etc., a los que puede ser sometida la suspensión del vehículo, además también es el que permite suspender el chasis del suelo cuando se une el conjunto de los brazos de suspensión y el chasis.



Soportes de los brazos de suspensión: no son más que elementos de unión de los brazos de suspensión con el chasis pueden ser simples orejas o diseños más específicos dependiendo el diseño del chasis. Todas estas son las partes físicas que integran

la suspensión sin embargo la

suspensión contiene una serie de condiciones para su óptimo funcionamiento y propiedades específicas que determinan el comportamiento de la suspensión, estos fueron definidos en el capítulo II de este trabajo pero serán explicados con mayor entendimiento a continuación:

101

Punto Pivote de Contacto de la Rueda También llamado radio Scrub, es la distancia entre el punto de contacto del plano de simetría de la rueda con el suelo y el eje de la dirección. Cuando el radio es cero, el vehículo gira fácilmente y tendrá poca tendencia a regresar la dirección durante los rebotes. Esta tendencia a devolver la dirección al centro durante los rebotes es más notable con radios scrub positivos, en donde el torque de la dirección y el contragolpe en los rebotes es mucho mayor inclusive mayor que los radios scrub negativos, en donde se presentan síntomas parecidos a los radios positivos pero en un menor grado. Cuanto menor sea el radio scrub menor será el esfuerzo a realizar con el volante para orientar las ruedas. Este esfuerzo será nulo cuando el eje del pivote pase por el centro de la superficie de contacto del neumático con el suelo, en este caso solo habría que vencer el esfuerzo de resistencia de rodadura (Fr) correspondiente al ancho del neumático, ya que el par de giro sería nulo. En la práctica el radio scrub no puede ser cero, ya que la dirección se volvería inestable.

FIGURA 9 Ángulo de Salida y Radio Scrub 102

Lo ideal es tener un radio scrub positivo pequeño, a pesar de tener un aumento en el esfuerzo de la dirección comparado con radio cero y radio negativo, pero se da mejor sensación de la dirección. Tomando en consideración que la dirección no será hidráulica.

Ángulo de Salida (King Pin Angle) El ángulo King Pin es la diferencia angular entre el eje imaginario que pasa por el nodo de sujeción superior e inferior del porta masas y el eje vertical de simetría del neumático. Este ángulo suele estar comprometido entre 5 y 10º.

El ángulo de King pin determina el tipo de fuerza producido en el centro del cubo de la rueda (hub). Si el ángulo es cero, las fuerzas en el cubo serán verticales.

FIGURA 10 Fuerzas Producto del Ángulo de Salida (King Pin)

Ángulo de Camber

Es el ángulo de inclinación del plano de la rueda con respecto a la vertical; este será negativo cuando la rueda se inclina hacia dentro del vehículo y será positivo

103

cuando la rueda se inclina hacia fuera del vehículo, algunos autores lo llaman ángulo de caída. El ángulo de camber será equivalente a la cantidad de grados que está inclinada la rueda con respecto a su posición perpendicular al suelo. Este será negativo cuando la rueda se inclina hacia adentro y positivo cuando se inclina hacia afuera. En la figura 11 se ve la designación de los ángulos de camber.

FIGURA 11 Designación de Ángulos de Camber

Tiene por objeto desplazar el peso del vehículo que gravita sobre el eje de la rueda hacia el interior, disminuyendo así el empuje lateral de los cojinetes sobre los que se apoya la rueda. La punta de eje o mangueta está sometida a esfuerzos de flexión equivalentes a peso que sobre ella gravita por su brazo de palanca que sería el radio scrub. El objetivo buscado es que se mantenga el ángulo camber lo más cercano a cero posible, reduciendo el brazo de palanca o radio scrub, por ello al inclinar la rueda, se desplaza el punto de reacción hacia el pivote, con lo que el brazo de palanca se reduce, disminuyendo el esfuerzo a que están sometidos los rodamientos de la mangueta. En el diseño del Baja se busca tener un ángulo camber ligeramente positivo cercano a cero, con el fin de distribuir el peso del vehículo sobre toda la superficie de las llantas para evitar el desgaste desigual en las mismas. Determinada magnitud de camber positivo es generalmente incluido en vehículos en reposo con el objetivo de contrarrestar tendencias a crear camber negativo mientras que el vehículo está en

104

movimiento debido a la curvatura de las carreteras, peso de los ocupantes, fuerzas creadas por condiciones de superficie de carreteras y otros factores de la geometría de la suspensión. El propósito es lograr “cero camber” de promedio con el vehículo en movimiento. Con las mesetas superiores e inferiores inclinadas a diversos ángulos con respecto al suelo, es posible diseñar configuraciones de suspensión totalmente distintas permitiendo variar la ganancia del ángulo camber. De esta manera es posible obtener el desempeño deseado, dependiendo de las diferentes pruebas de la competencia. Mientras más cerca del suelo se encuentre el centro de rolido y mientras mayor sea la longitud del brazo swing, más estable será la suspensión diseñada.

Cuando un vehículo gira en una curva, la rueda externa tenderá a inclinarse con ángulo camber positivo. Igualmente, cuando la suspensión se comprime, el ángulo de camber también tiende a tornarse positivo, en tanto que para la recta se deseará que esté completamente vertical es decir ángulo de camber cero, para poder lograr la mayor tracción posible con el suelo. Cuando se encuentra dando un viraje, será de mayor importancia el comportamiento de la externa que el de la rueda interna, debido a que la primera será la que estará más cargada a causa de la transferencia de peso lateral que se produce.

Ángulo de Caster

Este ángulo es el producido entre la línea de unión de los terminales de los brazos de suspensión inferior y superior con la vertical. Este ángulo también es considerado para aumentar la estabilidad en la dirección.

105

Convergencia – Divergencia (Toe in – Toe out):}

Es la posición que ocupan las 2 ruedas delanteras con respecto al eje longitudinal del vehículo. Este valor se mide en milímetros y es la diferencia de distancia existente entre las partes delanteras y traseras de las llantas a la altura del eje de rotación o mangueta. En el Baja se tiende a tener valores pequeños por ser un vehículo de tipo rústico, aún así estos valores deben ser mayores que los de tracción en las 4 ruedas. La convergencia se mide en mm y resulta de la diferencia entre B y A (ver figura 12), aunque también se puede expresar el ángulo de convergencia.

FIGURA 12 Ángulo de Convergencia – Divergencia (Toe in - Toe out)

La suspensión trasera en más sencilla que la delantera debido a que las ruedas traseras no están vinculadas a la dirección del vehículo, por lo tanto, el comportamiento es más sencillo y los ángulos varían en menor grado. Los movimientos máximos esperados son mínimos, es decir no se alejan mucho de su centro.

106

1.3 Diseño De La Suspensión Delantera.

El diseño de la suspensión se debe hacer siguiendo los siguientes pasos que delimitan de manera general todo lo necesario para su realización: a. Ubicación de todos los puntos de la suspensión en el software LSA. b. Realizar el diseño de los brazos de la suspensión en un programa CAD. c. Realizar el diseño del portamasas en un programa CAD d. Realizar el montaje de estas partes diseñadas en el chasis y demás componentes para verificar si cumple con los requisitos deseados . a. Ubicación de todos los puntos de la suspensión en el software LSA Para el diseño de la suspensión como ya antes se menciono se utilizara el software LOTUS SUSPENSION ANALISIS V4.03 o (LSA). El LSA es una herramienta de diseño y análisis de suspensión que puede ser usada para el diseño inicial de los puntos de agarre de la suspensión y también el diseño y orientación de los brazos de suspensión para el ajuste del comportamiento general. Los modelos son creados en un ambiente 3D, esto permite que los puntos de agarre sean arrastrados en pantalla y que los resultados gráficos y numéricos sean actualizados en tiempo real. Se provee al usuario de unas plantillas base de acuerdo con los principales sistemas de suspensión existentes, y partiendo de acá se personalizará para su uso particular. Sistema Coordinado El origen del sistema coordinado tiene su origen en el frente del vehículo y coincide con la línea central longitudinal.

107

FIGURA 13 Coordinado para el Lotus Suspensión Análisis v4.03

Puntos Definitorios de las Coordenadas del LSA

Previo a introducir coordenadas y modificarlas iterando se deben introducir una serie de valores de entrada en la que se definen ciertos parámetros importantes para el sistema de suspensión, estos se muestran en tabla 8.

Tabla 9 Parámetros 3D de Entrada

108

Estos puntos pueden ser modificados según las exigencias del usuario para simular diferentes condiciones de operación de la suspensión Para el diseño de la suspensión delantera como se analizó en la fase II de éste capítulo la suspensión delantera del prototipo Mini Baja SAE 2011 de la UNEXPO, estará conformada por un sistema de suspensión de paralelogramo

deformable,

también llamado sistema de doble meseta, sistema de doble A o por sus denominaciones en inglés Double Wishbone, A-Arms. En éste sistema el amortiguador se encuentra sujeto en el brazo inferior de la suspensión. Es el sistema más común debido a su práctico desempeño en cualquier tipo de vehículo, a su vez permite lograr la geometría adecuada debido a los diferentes parámetros que intervienen en el sistema.

Los puntos importantes a tomar en cuenta durante el diseño en LSA para establecer la geometría de la suspensión son los siguientes:

FIGURA 14 Puntos Definitorios de las Coordenadas 3D

109

Punto 1: Lower Wishbone front pivot (pivote frontal de la meseta inferior) Es el punto de unión del brazo inferior en la parte más frontal del carro con el chasis.

Punto 2: Lower wishbone rear pivot (pivote trasero de le meseta inferior) Es el punto de unión del brazo inferior en la parte más trasera del carro con el chasis.

Punto 3: Lower wishbone outer ball joint (junta de bola externa de la meseta inferior) Es el punto que cierra el primer triangulo del brazo de la suspensión inferior punto al cual se sujetara al portamasas por la parte inferior, la configuración de este puede modificar el ángulo King pin, caster y toe.

Punto 5: Upper wishbone front pivot (Pivote frontal de la meseta superior) Es el punto de unión del brazo superior en la parte más frontal del carro con el chasis.

Punto 6: Upper wishbone rear pivot (pivote trasero de la meseta superior) Es el punto de unión del brazo superior en la parte más trasera del carro con el chasis.

Punto 7: Upper wishbone outer ball joint (junta de bola externa de la meseta superior). Es el punto que cierra el segundo triangulo del brazo de la suspensión superior punto al cual se sujetara al portamasas por la parte superior, la configuración de este puede modificar el ángulo King pin, caster y toe.

Punto 8: Damper wishbone end (Terminal del amortiguador en la meseta) Punto de sujeción del amortiguador con el brazo de la suspensión inferior.

110

Punto 9: Damper body end (Terminal del amortiguador en el chasis) Punto de sujeción del amortiguador con el chasis.

Punto 11: Outer track rod ball joint (Junta de bola externa de la dirección) Punto de sujeción de la varilla de dirección que se encuentra en el portamasas.

Punto 12: Inner track rod ball joint (Junta de bola interna de la dirección) Punto de sujeción de la varilla de dirección que se encuentra en el cajetín de dirección.

Punto 16: Upper spring pivot point (Punto de pivote superior del resorte) Mismo punto del amortiguador pero este se usa si el amortiguador tiene resorte.

Punto 17: Lower spring pivot point (punto de pivote inferior del resorte) Mismo punto del amortiguador pero este se usa si el amortiguador tiene resorte.

Punto 18: Wheel spindle point (Punto de eje de la rueda) Punto central de la punta de eje, o bien, punto de unión del porta masas con punta de eje la configuración de este punto modifica el ángulo camber.

Punto 19: Wheel centre point (punto del centro de la rueda)

Procedimiento para la introducción de datos en LSA:

El procedimiento para el diseño es una tarea de ensayo y error pero se debe seguir los siguientes pasos:

111

1. Colocar los datos de los neumáticos tanto delantero como trasero. 2. Se deben ubicar los primeros 7 puntos con referencia que el origen está en la parte Fontal del carro y en la parte central, los puntos 3 y 7 son encontrados con ensayo y error dependiendo del ángulo caster King pin y toe deseados. 3. Ubicar el centro de la rueda como el sistema trabaja en coordenadas x, y, z las coordenada “Y” y Z” son fáciles de ubicar puesto a que la coordenada Z es la distancia del piso al centro de la rueda, este valor es el radio del neumático. La coordenada Y viene siendo la separación del caucho con el centro de el vehículo como ya se conocen las dimensiones máximas del ancho del vehículo ese valor ya se encuentra calculado, la coordenada x viene siendo la separación del origen al eje de giro, este valor se encuentra tomando la coordenada x del punto 1 y 2, luego de obtenidos esos dos valores se resta el valor del punto 2 con el valor del punto 1 y se divide entre dos para conseguir el punto medio es allí donde se colocara la coordenada x del punto 19 . 4. El punto 18 debe ir en línea recta con el punto 19 la configuración que se le dé a este variara el ángulo camber. 5. Los puntos del amortiguador se coloca en función de la longitud del amortiguador que se será seleccionado y de debe elegir el punto 9 y 16 utilizando trigonometría, para ello se intercepta con el plano que se forma con el brazo inferior se debe colocar el amortiguador que tengo aproximadamente unos 7° con respecto a la vertical. 6. El siguiente paso es elegir los puntos de la dirección esto es necesario para el diseño del portamasas es por esto que en esta parte del diseño se debe hacer de manera paralela. La obtención de estos puntos será explicada en otra sección más adelante.

La selección de amortiguadores depende de muchos factores como son la longitud deseada para el diseño el tipo de fluido de amortiguación, marca, precio, por eso se debe conocer las marcas y precios en el mercado para su selección la cual se limita a la factibilidad económica y a la longitud deseada para la colocación en el vehículo.

112

Se configuraron las coordenadas y se analizaron los gráficos resultantes en un proceso de ensayo y error, en el que se mostraron varias alternativas, se compararon y las coordenadas finales para la sección delantera del sistema de suspensión para el vehículo Baja 2011 se pueden ver en el cuadro 2,. Tabla 10 Puntos Definitorios de las Coordenadas 3D delanteras

Es recomendable realizar todo tipo de pruebas y simulaciones con el LSA hasta tener una suspensión que cumpla con los requisitos propuestos gracias a este software se pueden hacer modificaciones rápidas en caso de algún error.

b. Realización del diseño de los brazos de la suspensión en un programa CAD

Este proceso ya es más sencillo puesto a que ya se conocen todos los puntos gracias al LSA lo que se debe realizar es obtener el triangulo formado en los brazos de la suspensión tanto superior como inferior luego de obtenidos los dos triángulos con sus respectivas longitudes y ángulos se procede al diseño del brazo en si

113

Para el diseño realizado para el prototipo del vehículo 2011 se obtuvo los triángulos a continuación:

FIGURA 15 Dimensiones del brazo de la suspensión delantera superior a la izquierda e inferior a la derecha

Por último se modela con un tubo de 1” con esta trayectoria, gracias al programa inventor profesional el diseño final de los brazos superior e inferior es el siguiente:

114

FIGURA 16 Brazos de la suspensión delantera superior a la izquierda e inferior a la derecha

c. Realización del diseño del portamasas en un programa CAD

Para comenzar el diseño del portamasas es necesario conocer los puntos de los brazos de la suspensión, eje de giro y los puntos de la dirección estos puntos en el LSA son: puntos 3, 7, 11 y 18 Luego de obtenidos estos puntos se tienen que hacer las siguientes acotaciones: Los puntos 3 y 7 definen la altura del portamasas es allí donde se debe colocar los puntos de pivote y sujeción de los brazos con el portamasas, aquí se debe realizar una decisión de diseño que cada una tiene sus ventajas y desventajas. La primera es colocar orejas y colocar los rod ends en forma vertical respecto al piso con esto se logra que los brazos de la suspensión tengan un recorrido completo pero existe la posibilidad de que si los brazos bajan o suben demasiado podría trancarse y el caucho caer en forma indeseada imposibilitando la utilización del vehículo hasta acomodar de

115

nuevo a su posición original, esta disposición también tiene la desventaja de limitar el ángulo para la dirección debido a que los rod end solo permiten cierto ángulo de giro, la otra forma es colocar un agujero en el porta masas e insertar los rod ends en ellos con esto se elimina las restricciones del ángulo de la dirección obteniendo así mayor maniobrabilidad pero existe el problema de que sin limitación de este ángulo el caucho puede girar demasiado las varillas de dirección y en el peor de los casos el cajetín de dirección además de trancar la rueda en una posición indeseada también tiene la desventaja de que con los rod ends así, los brazos de la suspensión se ven limitados en el recorrido ocasionando así que en el caso de caer en un bache muy profundo en el momento de un salto que los brazos de la suspensión suban demasiado doblando o partiendo el rod ends dañando así la suspensión. En ambas opciones se pueden minimizar las fallas con un buen diseño de dirección y selección del amortiguador. Para el diseño del vehículo 2011 se opto por diseñar el porta masas con la primera opción esto es debido a que si falla solo es cuestión de enderezar la suspensión a su posición original evitando el riesgo de dañar los elementos de la suspensión en plena competición resultando fatal para la obtención de la victoria.

El punto 18 es el referente al punto de unión del porta masas con la punta de eje allí se tiene que conocer el tipo de punta de eje que se utilizara y como esta se unirán estas dos piezas, comúnmente existen dos formas de sujeción una es a través de una placa unida con pernos y la otra es una unión soldada entre los dos para el diseño del vehículo 2011 se eligió una unión con placa.

Para el punto de sujeción de las varillas de la dirección solo es cuestión de ubicar una placa con un orificio para su unión, las únicas consideraciones que se deben hacer son: el plano que forma la parte superior de la placa para la unión debe ser perfectamente paralelo con el plano del suelo esto se hace con la finalidad de reducir los esfuerzos ocasionados al girar el vehículo y así obtener una dirección más suave y eficiente es

116

por esto verificar bien los ángulos que se forman en la unión del porta masas con esta placa. Sin embargo todas estas acotaciones son para el diseño de un portamasas basados en los puntos obtenidos en el LSA pero hay que recordar que también existe la opción de comprar un portamasas que cumpla las características deseadas, lo malo de esta opción es que el costo de estos portamasas es elevado y por motivos económicos es más factible el diseño y construcción del portamasas por los mismos miembros de SAE UNEXPO vrb. El diseño del portamasas para el prototipo 2011 es el siguiente:

FIGURA 17 medidas del portamasas

Realización del montaje de partes diseñadas en el chasis y demás componentes para verificar si cumple con los requisitos deseados

117

FIGURA 18 Montaje de la suspensión delantera

El despiece de las partes que conforman la suspensión delantera del vehículo se puede observar en la siguiente figura:

FIGURA 19 Despiece de la suspensión delantera

118

1.4. Diseño de la suspensión trasera

El diseño de la suspensión se debe hacer siguiendo los siguientes pasos que delimitan de manera general todo lo necesario para su realización: a. Ubicación de todos los puntos de la suspensión en el software LSA b. Realizar el diseño de los brazos de la suspensión en un programa CAD c. Realizar el montaje de estas partes diseñadas en el chasis y demás componentes para verificar si cumple con los requisitos deseados

a. Ubicación de todos los puntos de la suspensión en el software LSA

La suspensión trasera seleccionada para el vehículo 2011 está conformada por un sistema de suspensión de brazos tirados (Trailing Arm) también para efectos de trabajo en el Lotus Suspensión Analysis, se seleccionará el sistema Semi Trailing Arm debido a que la disposición geométrica que presenta es la deseada. El procedimiento de diseño seleccionando otro tipo de suspensión no es muy diferente debido a que la suspensión trasera es más sencilla. En el LSA introduciendo ente tipo de suspensión arroja una serie de puntos que conforman la geometría de la suspensión trasera, los cuales se muestran en la siguiente imagen:

FIGURA 20 Puntos Definitorios de las Coordenadas 3D de la Suspensión Trasera

119

Punto 1: Lower wishbone front pivot (pivote frontal de la meseta inferior). Punto 2: Lower wishbone rear pivot (pivote trasero de le meseta inferior). Punto 8: Damper lower trailing arm end (terminal del amortiguador en el brazo tirado). Punto 9: Damper body end (terminal del amortiguador en el chasis). Punto 16: Upper spring pivot point (punto de pivote superior del resorte). Punto 17: Lower spring pivot point (punto de pivote inferior del resorte). Punto 18: Wheel spindle point (punto de eje de la rueda). Punto 19: Wheel centre point (punto del centro de la rueda) .

Procedimiento para la introducción de datos en LSA:

El procedimiento para el diseño es una tarea de ensayo y error pero se debe seguir los siguientes pasos:

1. Colocar los datos de los neumáticos tanto delantero como trasero. 2. Se deben ubicar los primeros 2 puntos con referencia que el origen está en la parte Fontal del carro y en la parte central, el punto 18 son encontrados con ensayo y error dependiendo del ángulo camber deseados. 3. Ubicar el centro de la rueda como el sistema trabaja en coordenadas x, y, z las coordenada “Y” y Z” son fáciles de ubicar puesto a que la coordenada Z es la distancia del piso al centro de la rueda, este valor es el radio del neumático. La coordenada Y viene siendo la separación del caucho con el centro de el vehículo como ya se conocen

120

las dimensiones máximas del ancho del vehículo ese valor ya se encuentra calculado, la coordenada x viene siendo la separación del origen al eje de giro, este valor se encuentra tomando la separación deseada entre ejes y es colocada en la coordenada x del punto 19. 4. El punto 18 debe ir en línea recta con el punto 19 la configuración que se le dé a este variara el ángulo camber. 5. Los puntos del amortiguador se coloca en función de la longitud del amortiguador que se será seleccionado y de debe elegir el punto 9 y 16 utilizando trigonometría, para ello se intercepta con el plano que se forma con el brazo se debe colocar el amortiguador que tengo aproximadamente unos 7° con respecto a la vertical. La selección de amortiguadores depende de muchos factores como son la longitud deseada para el diseño el tipo de fluido de amortiguación, marca, precio, por eso se debe conocer las marcas y precios en el mercado para su selección la cual se limita a la factibilidad económica y a la longitud deseada para la colocación en el vehículo. Se introducen cada una de las coordenadas de todos los puntos que conforman el sistema de la suspensión trasera, éstas se muestran en el cuadro 3.

Tabla 11 Coordenadas 3D de la Suspensión Trasera

121

Una vez introducidas las coordenadas, se visualiza el modelo 3D de la suspensión trasera, el cual se puede ver en la figura 21:

FIGURA 21 Vista Posterior de la Suspensión Trasera

b. Realización del diseño de los brazos de la suspensión en un programa CAD

Este proceso ya es más sencillo puesto a que ya se conocen todos los puntos gracias al LSA lo que se debe realizar es obtener el triangulo formado en los brazos de la suspensión luego de obtenido el triangulo con sus respectivas longitudes y ángulos se procede al diseño del brazo en si. Para el diseño realizado para el prototipo del vehículo 2011 se obtuvo el triángulo a continuación:

122

FIGURA 22 Medidas de brazo de suspensión trasera

Por último se modela con un tubo de cuadrado de 2x1 y tubos de 1” con esta trayectoria, gracias al programa inventor profesional el diseño final de los brazos superior e inferior es el siguiente:

FIGURA 23 Brazo de suspensión trasera

c. Realización del montaje de partes diseñadas en el chasis y demás componentes para verificar si cumple con los requisitos deseados El montaje de la suspensión trasera del vehículo es:

123

FIGURA 24 Montaje de la suspensión trasera del vehículo

2. Sistema de dirección.

2.1.Parámetros a Considerar para el Diseño del Sistema de Dirección:



Radio de Giro Máximo: se determina a través del estudio del mecanismo de

Ackermann, este permite obtener los ángulos máximos de giro de la rueda externa y de la rueda interna, de acuerdo a los valores del ancho de vía (a) y de la distancia entre ejes (b)

124

a: vía = 1.2 m b: batalla = 1.35 R: radio de giro = 2.2 m Ave: ángulo de viraje rueda exterior Avi: ángulo de viraje rueda interior Ax: ángulo de desviación angular

FIGURA 25 : Ángulo de Viraje de las Ruedas

tan( avi)

avi

tan 1 (

2 b ) 4b a

tan 1 (

2 1350 mm ) 4 1350 mm 1200 mm

tan( ave)

avi



tan 1 (

2 b ) 4b a

2 b 4b a

tan 1 (

tan 1 (0.6429 )

32 .74 º

2 b 4b a

2 1350 mm ) 4 1350 mm 1200 mm

tan 1 (0.4091 )

22 .25 º

Ángulo de Avance (Caster): al ser un vehículo de propulsión trasera, la fuerza

de empuje del mismo, podría generar cierta inestabilidad en la dirección, por lo tanto es necesario dar una inclinación al eje del pivote de la dirección, creando así un desfase entre el punto de apoyo de las ruedas y la línea de prolongación del eje del pivote, esta distancia de avance es conocida como caster offset. Para vehículos de la

125

clase Mini Baja, se sugiere un ángulo de avance de 10 grados, al poseer neumáticos delanteros de 21 pulgadas de diámetro (53.34 cm) se obtiene una distancia de avance (caster offset) de 47.02 mm. El ángulo de avance permitirá que se produzca un par de fuerzas al cruzar la dirección, la cual ayudará a retornar a las ruedas a su posición inicial en línea recta.

2.2 Estructura del Sistema de Dirección:

El sistema de dirección está compuesto por: Volante Eje del volante Junta universal Cajetín de la dirección Varillas de dirección

La selección del cajetín es de gran importancia ya que en él es donde se instalaran todos los componentes y es el encargado de convertir el movimiento circular del volante en un movimiento lineal a hará girar al porta masas cierta cantidad de grados para conseguir que el vehículo gire.

En el capítulo II se definieron diferentes tipos de dirección pero a través de datos conseguidos en la construcción de vehículos anteriores al 2011 nos ha dicho que la selección optima para este sistema es de un mecanismo de piñón cremallera puesto a que es sencilla económica respecto a otras y como el vehículo es relativamente liviano no necesita ser ayudada por medio de un sistema hidráulico, neumático o eléctrico.

Una vez analizado cada uno de los parámetros que conforman el sistema, se procede a elegir los componentes que permitirán definir la estructura del sistema de

126

dirección del vehículo. El prototipo Mini Baja SAE 2011 de la UNEXPO consta de un mecanismo de dirección por cremallera. Este sistema ofrece numerosas ventajas respecto a los diversos mecanismos de dirección debido a su simplicidad de funcionamiento e instalación, a su vez consta de pocos elementos, los cuales permiten obtener una geometría funcional acorde a las especificaciones del sistema. Es recomendable el uso de un cajetín de dirección del tipo centrado, es decir, que posea el piñón, el cual permite el desplazamiento transversal de la cremallera, en el centro del cajetín, ya que el vehículo es monoplaza y la ubicación del piloto es en el centro del mismo. Se elige un sistema piñón – cremallera del tipo Fast Rack and Pinion el cual es recomendado para su uso en vehículos tipo Mini Baja. La acción rápida de éste se debe a su aplicación en pequeñas pistas de carreras, posee un maquinado de alta precisión de acero de alta resistencia y aluminio. Dicho cajetín presenta las siguientes características: 

Desplazamiento máximo en 7/8 de vuelta



41/2 pulg. de recorrido



111/4 pulg. de longitud



Acople de 36 estrias – 5/8 pulg



2.74 lbs (1.24 kg) de peso

FIGURA 26 de Dirección Fast Rack and Pinion

En cuanto a las barras de dirección, se optó por tubos de acero aleado AISI 4130, de ¾ de pulgada de diámetro externo y 0.065 pulgadas de espesor de pared. Éstas disponen en uno de sus extremos de terminales del tipo Rod Ends de 3/8 de pulgada 127

los cuales se acoplaran al portamasas, para el otro extremo de las barras se optaron por orejas del mismo material las cuales permitirán sujetar las barras al cajetín de dirección.

FIGURA 27 Conjunto de Barras y Rod Ends del Sistema de Dirección Posteriormente se procede a elegir los componentes que permitirán transmitir el movimiento proveniente del volante, este consta de una junta universal (cruceta) de 5/8 de pulgada de diámetro, con 36 estrías, la cual se acopla a la salida del piñón del cajetín de dirección. A su vez la columna de dirección consta de un tubo de acero aleado AISI 4130, de ¾ de pulgada de diámetro externo y 0.065 pulgadas de espesor de pared. En el extremo de ésta se dispone un sistema quick release el cual permite la extracción del volante en forma rápida. El conjunto puede ser visto en la figura 28.

FIGURA 28 Conjunto de Columna de Dirección, Junta Universal y sistema Quick Release

128

Finalmente pueden verse en las imágenes 29 y 30 el sistema de dirección del Mini Baja 2010.

FIGURA 29 Vista Isométrica de Sistema de Dirección

FIGURA 30 Vista Frontal del Sistema de Dirección

3. Diseño Del Chasis.

El chasis es la estructura de soporte para los sistemas del vehículo tales como el sistema de suspensión, sistema de frenos, trasmisión, dirección y también para la sujeción de la mayoría de los dispositivos y elementos presentes en el vehículo.

129

Debido a la directa relación que tiene el chasis con la seguridad del piloto, el diseño del mismo parte de una estructura base mínima exigida por las reglas, todo esto con la intención de preservar la seguridad del piloto en todo momento debido a los potenciales accidentes y turbulencias que se presentan en las competencias de la serie Baja SAE. Específicamente en las reglas se regula sólo la sección de la jaula antivuelco (roll cage), ya que es en esta jaula en donde se encontrará la totalidad del cuerpo del piloto. Antes de comenzar el proceso de diseño del chasis se debe entender de manera clara todos los artículos referentes con el fin de evitar una descalificación por parte de los inspectores de la competencia. Sin el visto bueno de los inspectores el chasis no puede competir es por testo que no se debe omitir ningún detalle en su diseño 3.1 Reglas para la fabricación de el chasis según la SAE international 2011 A continuación se cita y traduce la parte B capítulo 8 de las reglas Baja SAE 2011: B8.1 Objetivo El propósito de la jaula antivuelco es mantener un espacio mínimo alrededor del conductor. La jaula debe ser diseñada y fabricada para evitar cualquier fallo de la integridad de la jaula. B8.2Espacio lateral Espacio mínimo se basa en los espacios entre el conductor y las dos superficies virtuales lado de la jaula. Espacios libres son relativos a cualquier controlador seleccionado en la inspección técnica (por lo general el mayor conductor, puede ser varios pilotos), sentado en una posición normal de conducción, y el uso de los equipos necesarios 130

Las superficies laterales virtuales se definen por el lado del impacto miembros (SIM) del rollo de aro de arriba miembros (RHO) y el lugar de cualquier línea recta que une cualquier punto de la parte exterior de la tarjeta SIM a cualquier punto en la parte exterior de la RHO, exclusivo de cualquier acolchado o cobertura de estos miembros. Si hay algunos miembros de la triangulación de unirse a la tarjeta SIM o la RHO a los miembros de la vertical del aro trasero Roll (RRH-B8.3.2), y estos miembros se ajustan a la triangulación de B8.3.12, a continuación, las superficies laterales virtual puede ser prorrogado por un motor fuera de borda aumento en los miembros de la triangulación. El casco de conductor tendrá 152 mm (6 pulgadas) de espacio libre a las superficies laterales. Los hombros del conductor, el torso, las caderas, muslos, rodillas, brazos, codos, manos y tendrá 76 mm (3 pulgadas) a las superficies laterales. B8.2.1 espacio vertical El casco de conductor tendrá 152 mm (6 pulgadas) de espacio libre en la parte superior de la jaula antivuelco, definido por la superficie superior (no central) de: los miembros de RHO (con exclusión de cualquier cobertura o relleno), el RRHUPPER, LC, y la CL entre los puntos de C. En una elevación (de lado), ninguna parte del cuerpo del conductor, los zapatos y la ropa se puede extender más allá de la dotación de la jaula. B8.3 Estructura Roll Cage B8.3.1 Elementos de la jaula antivuelco La jaula debe ser una estructura espacial de acero tubular. Los miembros necesarios de la jaula son ilustrados en las Figs.RC2 y RC4. Miembros de primaria deben ajustarse a 131

Los miembros principales son: Trasera del aro Roll (RRH) Roll miembros del aro de arriba (RHO) Frente miembros de refuerzo (FBM) Lateral de la Cruz miembros (LC) Los miembros de la secundaria debe ser de tubos de acero con un espesor mínimo de pared de 0,89 mm (0,035 pulgadas) y un de diámetro exterior mínimo de 25,4 mm (1,0 pulg): Los miembros de secundaria son: Lateral Arriostre Diagonal (DCL) Baja marco lateral (EPA) Lado miembros Impacto (SIM) Delante / atrás arriostramiento (FAB) En Miembro de asiento (USM) Todos los demás miembros de la Cruz Requerido Cualquier tubo que se utiliza para montar los cinturones de segurida de miembros de la jaula antivuelco que no son rectas no debe extenderse más de 711 mm (28 pulgadas) entre los soportes. Radios de curvatura pequeños (<152 mm, 6 pulgadas) en un callejón sin el apoyo de un miembro se exceptúan, y no se consideran para que un miembro no-derecho. El ángulo menor entre los dos extremos de un tubo no-rectas no debe superar los 30 °. Nota: las dimensiones requeridas entre los miembros de la jaula se definen por medio de mediciones entre centrales miembros, salvo que se indique.

132

Definición: -CONDUCTOR- Para los propósitos de esta sección, “conductor” se refiere al conductor más grande del equipo y a un hombre promedio del 95 percentil masculino vestido adecuadamente y utilizando un casco.

B8.3.2 Arco Antivuelco Trasero (RRH: Rear Roll Hoop) El RRH es un panel estructural detrás de la espalda del conductor, y define la parte de atrás de la jaula. El conductor y el asiento deben estar totalmente hacia delante de este panel. El RRH es substancialmente vertical, pero puede inclinar hasta 20 ° desde la vertical. La anchura mínima del RRH, medido en un punto de 686 mm (27 pulgadas) por encima de la parte inferior del asiento en el interior, es de 7 36 mm (29 pulg.) Los miembros verticales de la RRH puede ser recto o curvado, y se definen como inicio y final en el que se cruzan en el plano horizontal superior e inferior (puntos de AR y AL, y la BR y BL en Fig.RC1) Los miembros deben ser tubos vertic ales continuas es decir, no varios segmentos unidos por soldadura) Los miembros vertical debe ser acompañado por miembros de la LC en la parte superior e inferior. Los miembros de la LC deben ser tubos contínuos.

FIGURA 31 Arco Antivuelco Trasero (Estructura de la Pared de Fuego)

133

B8.3.2.1 Refuerzos Diagonales Laterales del Arco Antivuelco Trasero (LDB: Rear Roll Hoop Lateral Diagonal Bracing) El RRH debe ser reforzado en diagonal. El apoyo diagonal (s) debe extenderse desde uno de los miembros RRH vertical a la otra. Las intersecciones superior e inferior de los miembros de la LDB y los miembros RRH vertical deben ser superiores a 127 mm (5in.) de la parte superior e inferior RRH planos horizontales, respectivamente.

El

ángulo entre los miembros

de

la LDB y los

miembros RRH vertical debe ser mayor o igual a 20°. Soporte lateral puede consistir en más de un miembro

FIGURA 32 Refuerzos Diagonales Laterales del Arco Antivuelco Trasero

B8.3.3 Miembros Superiores del Arco Antivuelco (RHO) Los miembros RHO definen el ángulo superior derecho e izquierdo de la jaula antivuelco. Los extremos de los dos miembros RHO definir cuatro puntos por encima de la cabeza del conductor en un plano generalmente horizontal. Los miembros RHO extienden generalmente hacia adelante desde la parte superior de la RRH. Los extremos delanteros de la RHO miembros están unidos por un lateral de la Cruz (LC) miembros. Los miembros RHO deben tubos continua. La intersección entre los miembros RHO y RRH la debe haber más puntos de 51 mm (2 pulgadas) de B. Los miembros RHO debe ser lo suficientemente alta para permitir un espacio libre de 1.041 mm (41 pulgadas) entre la parte inferior del asiento en el interior y la parte

134

inferior (no el central) de los miembros de RHO (sin relleno miembro RHO o revestimiento). Los extremos delanteros de los miembros de RHO (intersección con la CL) definir los puntos de CR y CL (Fig.RC3). Puntos de CR y CL debe ser por lo menos 305 mm (12 pulgadas) por delante de un punto, en opinión de la elevación del vehículo, definido por la intersección de los miembros RHO y una línea vertical pasando de el extremo de la parte inferior del asiento. Este punto en el asiento se define por la intersección del asiento con un 101 mm (4 pulgadas) de círculo de radio que toque el fondo del asiento y el asiento de atrás.

FIGURA 33 Miembros Superiores del Arco Antivuelco (RHO)

B8.3.4 Miembros Laterales del Marco Inferior (LFS: Lower Frame Side Members) Dos laterales inferiores del marco definen el extremo inferior derecho e izquierdo de la jaula antivuelco. Estos miembros se unen a la parte inferior de la RRH y se extienden por lo general hacia adelante, al menos en cuanto a un punto en adelante de los talones cada conductor, sentado en posición normal de conducción. Los extremos delanteros de los miembros de la EPA están unidos por una LC, el Frente lateral de la Cruz (FLC - Fig 34.). La intersección de los miembros de la LFS y la FLC definir los puntos AFR y la AFL.

135

FIGURA 34: Miembros Laterales del Marco Inferior

B8.3.5 Miembros de Impacto Lateral (SIM: Side Impact Members Los dos miembros laterales de impacto definen un plano medio horizontal dentro de la jaula. Estos miembros se unen a la RRH y se extienden por lo general hacia adelante, al menos en cuanto a un punto en adelante de todos los dedos de los pies del conductor, sentado en posición normal de conducción. Los extremos delanteros de los miembros del SIM están unidos por una LC. La intersección de los miembros del SIM con este LC definir los puntos de SFR y SFL. Los miembros del SIM debe estar entre 203 mm (8 pulgadas) y 356 mm (14 pulgadas) por encima de la parte inferior del asiento en el interior (Fig.RC3). NOTA: los pies Cada conductor debe estar totalmente detrás del plano definido por los puntos AFR, L y SFR, L. Si la LC entre SFR, L está por debajo de los pies del conductor, a continuación, un adicional de LC debe ejecutar entre los miembros de FBM por encima de los pies del conductor.

136

B8.3.6 miembros Bajo del asiento (USM) Los dos miembros de la EPA deben ser acompañados por la virtud de los miembros del asiento. El USM y debe pasar directamente por debajo del conductor en caso de la plantilla de la RC3 se cruza la parte inferior del asiento. La USM se debe colocar de tal manera de evitar que el conductor pasa por el plano de la EPA en caso de fallo de seguridad. B8.3.7 Miembros de Refuerzo Frontal (FBM: Front Bracing Members) Miembros del Frente refuerzo deben unirse a la RHO, SIM y la EPA (Fig. RC5). La parte superior frontal miembros de refuerzo (FBMUP) deben unirse a C los puntos de la RHO a la tarjeta SIM o por detrás de los puntos SF. Cuanto menor sea frontal Los elementos de arriostramiento (FBMLOW) deben unirse a los puntos de AF a los puntos de SF. El FBM debe tubos continua. El ángulo entre la FBMUP y la vertical debe ser menor o igual a 45 grados. Todos los pies del conductor deben estar totalmente detrás del plano de los miembros FBMUP. Los miembros de impacto lateral deberán unir al RRH en los puntos S y extenderse generalmente horizontales a los puntos SF delante de los dedos del pie del piloto (ver RC4) los SIM deberán estar entre 20.3 y 35.6cm (medidos verticalmente) sobre el área del asiento en contacto con el piloto. NOTA: los pies del piloto deben estar detrás del plano creado por los puntos AFR, L y SFR, L. Si el tubo entre SFR, L se encuentra debajo de los dedos del pie del conductor, entonces una barra adicional será requerida sobre los dedos del conductor. (La intención de esto es proteger los pies del conductor de la intrusión de una rueda).

137

FIGURA 35 : Miembros de Refuerzo Frontal

B8.3.8 Refuerzos del Arco Antivuelco (Fab) El RRH debe ser restringida de la rotación y flexión en el plano de elevación mediante un sistema de triangulación refuerzos. Arriostramiento debe: 1) Refuerzo trasero - directamente restringir tanto los puntos B de desplazamiento longitudinal en el caso de fracaso de las articulaciones en los puntos C, o 2) Frente Arriostre frenando tanto el C puntos de desplazamiento longitudinal y vertical, apoyando así los puntos B a través de los miembros de RHO. Mejor diseño dará lugar, si la parte delantera y trasera se han incorporado refuerzos. Miembros utilizados en los sistemas FAB no debe superar los 1016 mm (40 pulgadas) de longitud entre apoyos. Ángulos de la triangulación (proyectado a la opinión de la elevación) no debe superar los 20 °. B8.3.8.1Refuerzos Frontales Frente sistemas de FAB debe conectar a los miembros FBMUP a los miembros SIM (en el mismo lado). La intersección con los miembros FBMUP debe 138

estar dentro de 127 mm (5 pulgadas) de puntos C. La intersección con los miembros del SIM debe estar verticalmente con el apoyo de otros miembros de conectar los miembros de la SIM a los miembros de la LFS.

B8.3.8.2 Refuerzos Traseros Parte trasera de la FAB sistemas debe crear un triángulo estructural, en la opinión de la elevación, a cada lado del vehículo. Cada triángulo debe estar detrás del RRH, incluyen la parte RRH verticales como miembro, y tienen un vértice cerca de Point B y cerca de un vértice o punto de S o A. Punto La tercera (después de) el vértice de cada triángulo trasero preparando, además, deben ser estructuralmente relacionada con cualquier punto, S o A, no forma parte del triángulo estructural. Esta conexión adicional se considera parte del sistema FAB, y está sujeta a B8.3.1, pero se pueden formar usando varios miembros se unieron, y el montaje de tubos, de extremo a extremo, puede abarcar una curva mayor de 30 grados. Fijación de sistema trasero FAB debe estar dentro de 127 mm (5in.) del punto B, y debe estar dentro de 51 mm (2 pulgadas) de puntos de S y R. En la vista en planta, la parte trasera triángulos refuerzo estructural no debe ser un ángulo más de 20 grados de la línea central del vehículo. El después de vértices (a la derecha / izquierda) de los triángulos FAB estructural debe ser acompañado por un LC B8.3.9 RHO/FBM Refuerzos Triangulares de Placas (gussets) La combinación de la RHO y miembros FBMUP a cada lado del vehículo cada uno puede ser fabricado en un solo tubo continuo, curvado en los puntos de C. Si cada combinación se hizo en lugar de dos tubos, se unió en el punto C, luego un refuerzo estructural se requiere (Fig.RC8). Además, si dos tubos se unen en el punto C, a continuación, cada una debe ser unido a la LC como se muestra en Fig.RC8.

139

Refuerzos deben ser soldadas a los miembros FBMUP y RHO. Las soldaduras deben estar a los lados del tubo, y no con la parte superior del tubo / fondo (es decir, a la web, y no con la brida). Refuerzos deben tener una longitud a lo largo de los dos soldados y la FBMUP RHO miembros no inferior a tres veces el diámetro del tubo miembros. Refuerzos puede tomar una de dos formas permitidas: 1) una reducción de silla de montar de un tubo que cumpla los requisitos para los miembros de secundaria en 31.2.1, o 2) la placa de acero, de forma triangular en la vista en alzado, con un espesor mínimo de 1,60 mm (0,065 pulgadas) ..

FIGURA 36 RHO/FBM Gusseting

El ejemplo de la izquierda muestra un diseño en donde los refuerzos son requeridos en el punto C; el ejemplo de la derecha muestra un marco en donde no se requerirían refuerzos en el punto C. A través de diversos mecanismos el chasis de un vehículo puede ser más rígido, minimizando y disipando todas las reacciones producto de las fuerzas inerciales a las que continuamente está sometido. Las cargas a las que se somete el chasis deben ser aceptadas, siendo absorbidas mediante deformaciones elásticas mínimas de los diferentes componentes estructurales que lo integran, sin causar ninguna deformación permanente.

140

Las deformaciones elásticas permisibles que sufriría el chasis están directamente relacionadas con las aceleraciones longitudinales, laterales y verticales producidas respectivamente por las aceleraciones y las frenadas del vehículo, los virajes y por las irregularidades del terreno, que para el caso de los vehículos Baja esta característica se vuelve fundamental a la hora de diseñar el chasis, ya que el Baja está pensado para ser un vehículo todoterreno, como su nombre lo indica, se deberá desempeñar con control de la maniobrabilidad en terrenos muy desiguales y hostiles, entiéndase terrenos llenos de lodo, agua, piedras, polvo, etc. Las cargas más fuertes que sentirá el chasis, a excepción de las fuerzas generadas por impacto o choque, se originarán por las piezas que conforman y sujetan el amortiguador, seguido por las mesetas traseras inferiores, las traseras superiores, las delanteras inferiores y las delanteras superiores, mostrando en este orden las estructuras más críticas en el vehículo ya que son las que soportan la mayor carga en situaciones normales. De acuerdo con la tercera ley de Newton, cada una de las piezas que soporta el chasis generará reacciones internas que por las fuerzas inerciales tenderán a deformar la estructura. Así, estas deberán estar colocadas en las zonas más rígidas donde se garantice que la armadura no está cargada internamente a flexión o a cualquier carga no deseada. Esto será una complicación en muchas ocasiones. En tales circunstancias, los vínculos entre las piezas y el chasis deberán poseer las menores excentricidades posibles con respecto a las zonas más rígidas.

Diseño de el Chasis teniendo en cuenta las reglas y realizando un análisis a cada parte por separado Las reglas baja SAE 2011 especifican detalladamente cuales son las medidas máximas y mínimas que se deben tomar en cuenta para el diseño del chasis, específicamente habla de los siguientes miembros:

141

Arco Antivuelco Trasero (RRH: Rear Roll Hoop). Refuerzos Diagonales Laterales del Arco Antivuelco Trasero (LDB: Rear Roll Hoop Lateral Diagonal Bracing). Miembros Superiores del Arco Antivuelco (RHO). Miembros Laterales del Marco Inferior (LFS: Lower Frame Side Members). Miembros de Impacto Lateral (SIM: Side Impact Members). Miembros de Refuerzo Frontal (FBM: Front Bracing Members). Refuerzos Traseros. Refuerzos Frontales. RHO/FBM Refuerzos Triangulares de Placas (gussets). Refuerzos del Arco Antivuelco (Fab).

El chasis diseñado para el prototipo mini BAJA 2011 es:

FIGURA 37 Vista isométrica del chasis

142

FIGURA 38 Vista lateral izquierda del chasis

A continuación se mostrara como se debe interpretar estas normativas para cada parte específicamente: Arco Antivuelco Trasero (RRH: Rear Roll Hoop) El RRH es también conocido como pared de fuego, esta se encuentra detrás del conductor y frente al motor puede tener una inclinación máxima de 20° respecto a la vertical, los miembros laterales que forman el RRH deben ser tubos continuos y deben poseer una anchura mínima de 27” por encima del asiento y 29 por debajo del asiento los miembros horizontales que unen al RRH son denominados LC. Analizando esta información se tiene que para el prototipo 2011 la pared de fuego o RRH es:

143

FIGURA 39 Vista frontal del RHH

Este diseño tiene una inclinación de 10° con respecto a la vertical

FIGURA 40 Medidas RHH

Refuerzos Diagonales Laterales del Arco Antivuelco Trasero (LDB: Rear Roll Hoop Lateral Diagonal Bracing) El RRH debe ser reforzado en diagonal. El apoyo diagonal debe extenderse desde uno de los miembros laterales el RRH vertical a la otra. Las intersecciones superior e inferior de los miembros de la LDB y los miembros RRH vertical deben ser superiores a 127 mm (5in.) de la parte superior e inferior RRH planos horizontales, 144

respectivamente. El ángulo entre los miembros de la LDB y los miembros RRH vertical debe ser mayor o igual a 20°. Soporte lateral puede consistir en más de un miembro, el soporte se puede apreciar en la figura 40.

Miembros Superiores del Arco Antivuelco (RHO) Los miembros RHO son los tubos que se encuentran en la parte superior del chasis. Los miembros RHO se extienden generalmente hacia adelante desde la parte superior de la RRH. Los extremos delanteros de la RHO miembros están unidos por un (LC). Los miembros RHO deben ser tubos continuos. Los miembros RHO debe ser lo suficientemente alta para permitir un espacio libre mínimo de 1.041 mm (41 pulgadas) entre la parte inferior del asiento en el interior y la parte superior. El miembro LC debe ser por lo menos 305 mm (12 pulgadas) En el diseño del prototipo 2011 estos tubos son:

FIGURA 41 Vista isométrica de los RHO y LC

La longitud de los RHO es de 600mm y del LC es de 300 mm Miembros Laterales del Marco Inferior (LFS: Lower Frame Side Members)

Los dos laterales inferiores del chasis definen el piso del vehículo. Estos miembros se unen a la parte inferior de la RRH y se extienden por lo general hacia adelante, al menos en cuanto a un punto en adelante de los talones cada conductor, 145

sentado en posición normal de conducción. Los extremos delanteros están unidos por un LC El diseño de los LFS en el prototipo 2011 es:

FIGURA 42 vista isométrica de LFS Siendo los que están en color azul los LFS y el de color rojo la unión con el RHH

FIGURA 43 medidas de LFS

Miembros Bajo del asiento (USM) Los dos miembros de la USM no es más que los tubos de sujeción del asiento. El USM y debe pasar directamente por debajo del conductor. La USM se debe colocar de tal manera de evitar que el conductor pasa por el plano de la LFS en caso 146

de fallo de seguridad. Para el diseño del 2011 son los tubos de color amarillo en la figura 42.

Miembros de Impacto Lateral (SIM: Side Impact Members Los dos miembros laterales de impacto definen un plano medio horizontal dentro de la jaula. Estos miembros se unen a la RRH y se extienden por lo general hacia adelante, al menos en cuanto a un punto en adelante de todos los dedos de los pies del conductor, sentado en posición normal de conducción. Los extremos delanteros de los miembros del SIM están unidos por una LC. Los miembros del SIM debe estar entre 203 mm (8 pulgadas) y 356 mm (14 pulgadas) por encima de la parte inferior del asiento en el interior, esta ultima regla es bastante fácil de confundir así que hay que ser muy cuidadosos al momento de su interpretación. En el diseño del los SIM en el mini BAJA 2011 se obtuvo lo siguiente:

FIGURA 44 Vista isométrica de SIM

147

FIGURA 45 Medidas SIM

Miembros de Refuerzo Frontal (FBM: Front Bracing Members) Los Miembros FBM deben unirse a la RHO, SIM y la LFS. Son los tubos que bajan diagonalmente desde el RHO hasta el LFS. El FBM debe ser contínuo. El ángulo entre la FBM y la vertical debe ser menor o igual a 45 grados. Todos los pies del conductor deben estar totalmente detrás del plano de los miembros FBM. Los pies del piloto deben estar detrás del plano creado por el plano creado por los FBM debido a que la intención es proteger los pies del conductor de la intrusión de una rueda El diseño de los FBM del BAJA 2011 es:

148

FIGURA 46 Vista isométrica de FBM

Los tubos azules representan los FBM pero hay que acotar que ellos forman un solo tubo, el cual es la unión de los tubos rojo y azul que van desde la pared de fuego hasta el LC que une al LFS, este tubo se dobla con la finalidad de conseguir el ángulo deseado.

FIGURA 47 Medidas del FBM

149

B8.3.8 Refuerzos del Arco Antivuelco (Fab) Los FAB son refuerzos que dictan las reglas SAE con la finalidad de evitar que el chasis vuelque dando le mayor resistencia a todas las partes del chasis, estos refuerzos pueden ser colocados adelante o en la parte de atrás Desde una vista lateral, los refuerzos deben estar triangulados, con una longitud máxima de cualquier miembro menor a 101.6cm (40pulg) entre puntos de sujeción. Los ángulos de la triangulación no deben ser menores a 20 grados. Un tubo doblado no debe tener más de 81.3cm (32pulg) de longitud total y el ángulo de doblez no debe exceder los 30 grados . Si se eligen Refuerzos Frontales estos deben unir deben conectar los FBM, los LFS y los SIM. Los refuerzos frontales deben estar unidos tan cerca como sea posible de la parte superior de la jaula antivuelco (LC de los FBM superior). Si se eligen Refuerzos Traseros estos deben estar tan próximos como sea posible de la parte superior del arco antivuelco a lo largo de su perímetro externo. Los refuerzos deben estar triangulados y unidos de nuevo al RRH debajo de los SIM. Desde una vista superior se puede notar el plano creado por los miembros RHB que deben tener un ángulo máximo de 15 grados desde el plano creado por los miembros RHH Los miembros a la izquierda y derecha deben estar conectados por un miembro que cruce hasta el nodo o tan cerca como sea posible hasta el doblez que forma el vértice de RHB.

FUENTE 1 reglas SAE 2010

150

FIGURA 48 (RC6)

FIGURA 49 RC7 FUENTE 2 reglas SAE 2010

para el diseño del vehículo 2011 se eligió por los refuerzos frontales debido a que conseguir los ángulos necesarios para cumplir con los refuerzos traseros sería imposible debido a la disposición del motor elegida así el diseño es:

FIGURA 50 Vista isométrica de los FAB 151

La longitud de los FAB es de 40” exactamente que va desde la parte superior de los FBM hasta el SIM. Así bien, Como se puede observar la mayor parte del chasis se puede construir de manera fácil, solo interpretando las normas y dominándola a el gusto del diseñador, sin embargo hay que estar muy al tanto de todo lo que se va haciendo debido a que el proceso de diseño es un proceso de constante cambios y no es de extrañarse que el momento de la construcción o del diseño de otro elemento sea modificado el diseño anterior, el chasis del mini baja 2011 ha sido el fruto de experiencias acumuladas en el diseño de los mini BAJA 2010 y 2009 en ellos se encontraron fallas de diseño menores las cuales en el 2010 se lograron corregir a tiempo pero en el del 2009 ya fue demasiado tarde en las figura 51, 52 y 53 se muestran los diseños de estos chasis.

FIGURA 51 Chasis mini BAJA 2009 fuente: Perry 2009

En este diseño hubo varios errores de diseño como es el ángulo formado de la pared de fuego con respecto a la vertical mayor de 20° también el ángulo formado en

152

los FBM con respecto a la vertical fue mayor de 45° además de que hubo una mala interpretación de las reglas con respecto a las FAB los cuales no se colocaron, en su lugar agregaron los tubos señalados con rojo en la figura 16 los cuales no se menciona nada de ellos en las reglas.

FIGURA 52 Primer diseño chasis 2010 fuente: Zamorano 2010

FIGURA 53 Diseño final del chasis 2010 fuente: Zamorano 2010 Como se puede observar en las figuras 16 y 17 el diseño del SIM inicialmente estuvo mal debido a que no cumplía la norma de la altura por encima del asiento, esto fue corregido como se muestra en la figura 18 luego de la fabricación de el chasis en tubos de PVC como modelo de prueba demostrando así las ventajas de una fabricación previa del chasis antes de el corte de tubos y soldado de los mismos ya que luego de eso sería imposible corregir este error, sin embargo la regla del FAB fue

153

mal interpretada una vez más, como se muestra en la parte encerrada en rojo, este error fue corregido en la misma competencia en los Estados Unidos cuando en comité de inspección técnica lo reviso lo declaro invalido hasta que solucionaran el detalle del FAB este detalle fue corregido sin problema pero ocasionó pérdida de tiempo para el equipo. En la figura 54 se muestra este error corregido en el vehículo en la competencia. El tubo que se ve forrado de naranja es el correcto FAB.

FIGURA 54 Mini BAJA 2010 en la competencia con FAB corregido 3.3 Diseño de partes del chasis no estipuladas en el reglamento SAE 2011 Luego de realizado el diseño de todas las partes que son nombradas en las reglas se procede a diseñar las demás partes. Estas partes ya son tubos agregados por la necesidad de integrar los demás sistemas como son la suspensión, transmisión dirección y freno, como se puede observar en la figura 55 los tubos, amarillos para la dirección, los azules para la transmisión y base del motor, los rojos para la suspensión y por último los verdes para mayor protección del piloto.

154

FIGURA 55 Tubos no mencionados en las reglas SAE 2011

Diseño de elementos de transmisión.

En la figura a continuación se muestra un poco más en detalle la parte anexadas para el soporte de la transmisión. Todos estos tubos fueron consecuencia de la necesidad de primero colocar la base del motor la cual se pensó poner en la parte superior debido a que este diseño puede estar sometido al cambio de ser un vehículo todo terreno a ser un vehículo anfibio es por esta razón que el motor se coloca en la parte superior con la finalidad de que no se moje si llega a ser sumergido en agua, en segundo lugar las distancias entre centros de los elementos de transmisión de potencia, en tercer lugar con el ángulo que se desea en los tripoides de la transmisión debido a que si son demasiado grandes puede zafarse eliminando la transmisión del vehículo

155

FIGURA 56 Vista lateral izquierda de los soportes de la transmisión

FIGURA 57 Vista trasera de los soportes de la transmisión

156

El procedimiento para el diseño de esta parte como se dijo anteriormente es bastante sencillo pero se enuncia a continuación: a. Se ubica la altura que la que se desea el motor. b. Se colocan tubos de manera horizontal para hacer la base del motor a esa altura (recuadro rojo en figura 56) y se colocan refuerzos como los diagonales utilizados. (encerrado en recuadro negro en la misma figura). c. Se protege la parte superior del motor con una jaula superior (cuadro amarillo). d. Se realizan las bases donde serán soportados los ejes para la transmisión deseada la primera distancia que se debe considerar es la distancia a la cual la correa de la CVT puede llegar (cuadro verde) y la segunda distancia de los tubos horizontales es referente a el ángulo que se desea para los tipoides (recuadro azul).

Diseño de elementos de dirección Ahora bien para el diseño de los elementos de la dirección ya es aun más sencillo debido a que los valores del tubo rojo en la figura a continuación, se posee del cálculo del sistema de dirección que se realizo en la sección anterior y para los elementos azules solo es cuestión de ajustarlos para la comodidad de el volante.

FIGURA 58 Ssoportes para sistema de dirección

157

FIGURA 59 Montaje de la dirección Diseño de elementos del chasis que dan mayor seguridad al piloto.

Estos elementos no son más que tubos que se colocan con la finalidad de ampliar un poco más el habitáculo del piloto y que sirven de protección en caso de una colisión frontal pueden proteger aun mas los pies del conductor aquí más que un procedimiento es un proceso creativo para el chasis ya que se puede hacer lo que el diseñador desee, tomando en cuenta que entre más tubos añada más peso será para el vehículo, la configuración que se le dio al chasis del prototipo 2011 fue:

158

FIGURA 60 Elementos del chasis que dan mayor seguridad al piloto

FIGURA 61 Medidas de elementos del chasis que dan mayor seguridad al piloto

Diseño de tubos para los soportes de la suspensión

Estos son aun más fácil de diseñar pues no son más que tubos horizontales ubicados a una distancia especifica que se calcula en la sección del diseño del sistema de la suspensión, principalmente solo son dos medidas la primera es la medida de 159

separación entre los brazos de la suspensión que se toma desde la base del chasis y la otra es para el soporte del amortiguador. Con los cálculos que se han obtenido a lo largo del diseño del prototipo 2011 se obtuvo los siguientes tubos.

FIGURA 62 Tubos para soportes de la suspensión

FIGURA 63 Medidas para los soportes de la suspensión

160

4. Sistema de Transmisión 4.1. Elementos que conforman la transmisión La transmisión del un vehículo tipo mini BAJA SAE es la encargada de lograr que el vehículo pase por todas las rigurosas pruebas de la competencia, la cual debe estar calculada y seleccionada minuciosamente debido a que en ella se encontrara la verdadera diferencia entre los vehículos que allí compiten, en este sistema las reglas SAE no mencionan absolutamente nada de cómo debe realizarse la transmisión solo te limitan a que el motor debe ser un motor Briggs & Stratton 10 hp OHV Intek de lo contrario el vehículo no será elegible para competir salvo eso la libertad es infinita. Con lo anterior mencionado se quiere decir que podemos utilizar desde relaciones simples con engranajes, a sistemas con cajas reductoras automáticas, transmisión por cadenas, cardanes tripoides y un sinfín de elementos de transmisión de potencia mecánica, además existe la libertad de “jugar” con las relaciones de transmisión que permitirán al vehículo pasar desde una prueba de aceleración donde el vehículo tiene que correr lo más rápido posible para llegar a la meta, también existe la competencia donde el vehículo se tiene que enfrentar a una colina bastante empinada y lograr subir lo más rápido posible, entre otro tipo de pruebas hasta llegar a la competencia final que consiste en una carrera de 4 horas continuas de competencia donde se pondrán a prueba todas las características del carro, es por esto que la transmisión juega un papel sumamente importante en el diseño de estos vehículos. Los elementos básicos que componen este sistema son: Motor: específicamente un motor Briggs & Stratton 10 hp OHV Intek CVT (transmisión variable continua) Elementos de transmisión de potencia mecánica (engranes, correas cadenas, etc.) Ejes Rodamientos Todo el conjunto entre rin caucho y manzana 161

Como se ha mencionado anteriormente el motor está regulado por las normas SAE pero el uso de CVT no, sin embargo el uso de este sistema da grandes ventajas a estos vehículos debido a que su función es multiplicar el par reduciendo de este modo, las revoluciones por minuto. Mediante sus dos poleas, la motriz conectada al motor siendo sensible a las revoluciones del mismo, y la conducida, que es sensible al par torsor, estas se encuentran unidas por una banda en V la seleccionada para el vehículo 2011 es una CVT comet modelo 790 con una relación más baja de 3.38: y la más alta de 0.54:1. Los elementos de transmisión de potencia pueden ser variados dependiendo de muchos factores sean constructivos, económicos, desempeño, etc. La mayoría de equipos que diseñan estos vehículos optan por adaptarle sistemas compuestos por cadenas y correas esto es debido a la facilidades de fabricación de todo el sistema y que este permite mas desalineaciones que un sistema de engranajes, esto no quiere decir que si el equipo cuanta con la maquinaria necesaria puede realizar la fabricación de sistemas con engranajes o mejor aun con sistemas electrónicos y la pericia necesaria para realizar sistemas automáticos de varias velocidades. 4.2.Cálculos necesarios para la realización de una transmisión Cada motor de combustión interna tiene características especificas de funcionamiento dadas por el fabricante estas características nos dicen cómo se comporta el motor a ciertas revoluciones la mayoría de estos son es capaces de tener un funcionamiento estable y regular. En la figura siguiente (Curva potenciavelocidad) se puede observar que el máximo valor de potencia que puede alcanzar el motor es a 4000 revoluciones por minuto. Según el Reglamento de SAE International, específicamente en la Parte B, Artículo 2 citado y traducido a continuación: (B2.5.14 EngineGovernor) los motores de todos estos vehículos deben estar gobernados a 3800 rpm para efecto de competir.

162

Por lo tanto es el valor que se va a usar en este estudio para la determinación de la potencia máxima real que podrá alcanzar.

FIGURA 64 Curva de potencia vs revoluciones por minuto

En la siguiente figura 65 se puede apreciar que el máximo par torsor alcanzado por el motor es a 2600 rpm, es por esto que se tomara el intervalo de 2600 rpm a 3800 rpm como rango del funcionamiento estable del motor y en cual estarán basado los cálculos puesto a que valores mayores es imposible por las normas y valores menores ocasionarían pérdidas.

163

FIGURA 65 Curva de par vs RPM

Cálculo de las relaciones de transmisión Una de las pruebas más difíciles a las que se tiene que enfrentar el vehículo en la competencia es la de “Hill Climb” donde consiste en subir una colina empinada, cuyo ángulo lo deciden los jueces, por lo tanto se va a partir de aquí suponiendo unas condiciones que tiene que superar para garantizar que la relaciones usadas sean las adecuadas y poder superar este tramo de la competencia. Debido a esto los datos de entrada para estos cálculos son los que decidirán el destino de las relaciones de transmisión puesto a que si se decide utilizar la potencia del motor para que el vehículo corra muy rápido no tendrá fuerza suficiente para poder subir las empinadas colinas y en caso contrario si la potencia se utiliza meramente en subir una pendiente muy empinada el vehículo en las pistas con tramos más alargados tendrá una velocidad bastante deficiente es por eso que se deben estableces muy bien estos valores para tener la mejor relación entre potencia y velocidad.

164

Para efectos del cálculo de la transmisión diseñada en conjunto con el director de transmisión del equipo SAE UNEXPO VRB año 2011, Carlos Colmenares, se seleccionaron los datos de entrada siguientes: Se toma como ángulo de pendiente de la pista ϴ =40° y un coeficiente de fricción estático de 0.65 Esto se realiza con el fin de calcular cuanta es la fuerza necearía para que el vehículo pueda vencer una pendiente con dicho ángulo en condiciones estáticas, es decir, que el vehículo suba la pendiente desde el estado de reposo Realizando un diagrama de cuerpo libre del carro en la pendiente se obtiene:

F

N

F R

W

FIGURA 66 DCL del vehículo en pendiente

Donde se tiene que: N = Normal (N) Fr = Fuerza de fricción (N) F = Fuerza desarrollada por el vehículo (N) ϴ = Angulo de la pendiente 165

W = Peso total del Vehículo (incluyendo el peso de un piloto promedio)

Y las siguientes ecuaciones:

Para resolver las ecuaciones se tiene que el peso aproximado de el vehículo será 350 kg equivalentes a 3430N

= 0.65, y ϴ = 40°

Y se obtiene:

= 496.87 N Se debe tomar en cuenta que para que el auto comience a subir la pendiente necesita vencer la fuerza de inercia, y se toman las siguientes consideraciones para su realizar su cálculo: Fi = Inercia a vencer a = Aceleración del vehículo para alcanzar la velocidad requerida v = velocidad de ascenso del vehículo t = tiempo que tarda en alcanzar la velocidad de ascenso partiendo del reposo m = masa del vehículo 166

Para comenzar se calcula la aceleración para ello de estima a qué velocidad se necesita o se desea que el vehículo tenga mientras sube la pendiente para este caso, utilizando los siguientes datos v = 12 km/h (3.33 m/seg) t=3s Sabemos que:

Resultando así: Utilizando la segunda ley de Newton y con los datos anteriores se tiene que:

Fi = 388.5 N Un aspecto importante que se debe considerar es la resistencia a la rodadura, esa fuerza resultante R de las ejercidas por el piso sobre la rueda a lo largo de su área, en un punto B, que se encuentra ligeramente hacia al frente de la rueda y no directamente debajo de su centro, para equilibrar el movimiento de W con respecto de B y para que la rueda se pueda mantener en equilibrio mientras rueda a velocidad constante se necesita aplicar una fuerza horizontal P en el centro de la rueda, como se puede observar en la figura.

167

FIGURA 67 Diagrama de rodadura del neumático

P

R

W P

FIGURA 68 Triangulo de fuerzas de rodadura

La distancia b que aparece se conoce con el nombre de coeficiente de rodadura, se tomó el valor más alto en arena suelta debido a que el vehículo competirá en terrenos de condiciones rusticas. Y se tiene la siguiente ecuación de equilibrio:

P = Fuerza de equilibrio r = Radio de la rueda (0.2921 m) W = Peso del vehículo (3430 N) b = Coeficiente a la rodadura (0.54 pulg o 0.128 m)

168

Para este caso se tomara la componente vertical del peso debido a la inclinación de 40, despejando P en la ecuación de equilibrio se tiene:

P = 115.14 N Al sumar las 3 fuerzas calculadas anteriormente (F, Fi, P) so obtiene una fuerza total de oposición al ascenso de la pendiente de 40 :

Y el par torsor necesario en las ruedas se puede calcular con la siguiente fórmula:

=par (N/m) F = fuerza desarrollada por el vehículo (N) r = radio de las ruedas (m)

Una vez obtenidos todos estos datos se procede a hacer el cálculo de la relación de transmisión necesaria para este caso en específico, para ello se utiliza la

169

formula dada por el fabricante de la CTV en su software “CVT GearingCalculator”, sabiendo que la relación más baja de la CVT seleccionada es de 3.38 se tiene:

Diámetro de las ruedas = 11.5 pulg. Torque del motor = 13.7 lbf pies Relación más baja de la CVT: 3.38 Por tanto se tiene que la relación de transmisión a usar será de:

Para conseguir una relación de transmisión de 9 depende de qué tipo de transmisión se utilice, del espacio que se cuente para su colocación y del costo de dicha transmisión Por como se ha mencionado anteriormente para el diseño del mini BAJA 2011 se utilizaran elementos de transmisión compuestos de

coronas y cadenas por

recomendación de fabricantes no es recomendable que en este tipo de transmisión exceda una relación de 7 es por esto que se hace la necesidad de colocar dos reducciones como es necesaria una relación de 9 se puede optar por dos relaciones de transmisión de 3 pues estas al unirse se multiplican dando como resultado la relación total deseada. Una vez conocida la relación de transmisión se procede a realizar el cálculo de número de dientes de las coronas, de la cadena a utilizar y del número de cordones necesarios A través de un proceso de análisis del espacio disponible para la transmisión en el chasis diseñado se obtuvo lo siguiente:

170

FIGURA 69 Tubos para elementos de transmision En la figura se muestran con color azul los tubos que sirven de soporte para el motor y demás sistemas los tubos de color amarillo sirven de soporte para el juego de cadenas de la primera relación y el tubo rojo sirve de soporte para la segunda relación de cadenas y es allí en ese eje que se acoparan los trípodes que le darán movimiento a las ruedas. En las figuras siguientes se muestran las dimensiones del habitáculo diseñado para la transmisión

FIGURA 70 medidas del habitáculo de la transmisión vista lateral

171

FIGURA 71 medidas del habitáculo de la transmisión vista trasera

En consideración a ese espacio y de las relaciones deseadas se colocaran para la primera relación de 3, dos coronas una de 17 dientes y otra de 51 y para la segunda relación , se seleccionaron coronas de 45 y 15 dientes, a través del programa inventor profesional 2011 con los datos siguientes: el numero de dientes de las coronas, torque necesario en el eje de donde se realizaran las relaciones y las velocidades de los ejes nos puede decir que cadena es la más recomendada para cada caso y cuantos cordones son necesarios. En el caso del BAJA 2011 el torque del eje final el cual fue de 293.06 Nm y sabiendo que el motor trabaja a 3800 revoluciones, entonces para la primera relación se tienen 1124.26 RPM un torque de 43.21 lbf*pie luego de pasar por todas las relaciones que en total son 3 dadas por la CVT 3.38 de la primera relación y 3 de la segunda dando una relación total de 30.42 el programa estableció que la cadena más

172

indicada para la primera relación es : ASME B29.1M - Precision power transmission roller chains 50-1-62 un paso de 15,875 mm con 62 eslabones y una sola cadena . En el caso de la segunda relación de 3 debido a las relaciones en ese eje el par torsor viene siendo 72 lbf*pie y gira a 374.75 RPM con estos datos la cadena recomendada es : ASME B29.1M - Precision power transmission roller chains 50-374 un paso de 15,875 mm Con 74 eslabones y 3 cadenas . Estas cadenas pueden ser remplazadas por sus similares en el caso que no se consiga esa norma en específico. Una vez tenidas las relaciones de transmisión, el numero de dientes de las coronas las cadenas que resisten las condiciones para las cuales fueron diseñadas se procede a la fabricación de los ejes y selección de rodamientos adecuados para el montaje dependiendo de las fuerzas existentes en las cadenas y coronas uniendo todos los elementos el montaje final de la transmisión seria el mostrado en la siguiente figura.

FIGURA 72 Vista lateral del montaje de la transmisión

173

FIGURA 73 Vista isométrica del montaje de la transmisión

5. Sistema de frenos El sistema de frenos no es más que un conjunto de elementos que al ser accionados detengan un cuerpo en movimiento. El objetivo del sistema de frenos es generar una fuerza tal que desacelere el vehículo de acuerdo a lo deseado, sin importar la velocidad que el vehículo llegue a desarrollar. Es por esto que una vez seleccionado el sistema de frenos a usar, debe comprobarse que se cumpla con los requisitos mínimos que se deseen aplicar al sistema además de cumplir con el reglamento de la serie Baja. En el reglamento de SAE 2011 no limita la selección del tipo de freno los cuales pueden ser de zapara, banda disco entre otros, esto nos da la posibilidad de seleccionar y calcular cualquiera, sin embargo, para los prototipos de BAJA es mas recomendado el sistema de frenos de disco puesto a que hay una parte de las pruebas que son realizadas a el vehículo en la competencia en la cual el vehículo debe ser

174

capaz de frenar completamente en una cierta distancia y velocidad, es por esta razón que la selección de frenos de disco es la más acertada, hay que tomar en cuenta que este sistema es más fácil si instalación costos y cálculos haciéndolos ideales para su colocación en el mini BAJA. Otras de las razones por las cuales se ha seleccionado el sistema de disco serán: 

Es más liviano que los frenos de tambor, lo que disminuye la importante relación Peso-Potencia aportando a un mejor aprovechamiento de los limitados 10 HP entregados por el motor designado en las reglas.



Dispersan mejor las altas temperaturas producidas en el frenado



Pueden seguir funcionando en ambientes hostiles con mucha agua lodo y piedras, ambientes a los que estará sometido este vehículo.



En caso de haber sobrecalentamiento por excesivo frenado, se produce una dilatación del disco la cual favorece la frenada, a diferencia de los frenos de tambor que al sobrecalentarse se pierde la capacidad de frenado.



Presentan mejor estabilidad general.



Son más confiables.

El reglamento de la SAE 2011 referente a frenos dice lo siguiente citado y traducido el artículo 11 parte B:

b.34. Sistema de frenos

b.34.1 Freno de pie: El vehículo debe tener por lo menos 2 sistemas de freno hidráulicos independientes que actúen en todas las ruedas y que sean operados por un solo pie. El pedal debe actuar directamente en el cilindro maestro (no se permiten

175

cables). El sistema de frenos debe ser capaz de bloquear todas las 4 ruedas en condición estática y dinámica en el pavimento y en superficies no pavimentadas.

b.34.2 Circuitos de freno independientes: El vehículo debe tener por lo menos 2 sistemas hidráulicos independientes tales que en el caso de una fuga de fluido en cualquier punto del sistema, se mantendrá una fuerza efectiva de frenado en al menos 2 ruedas. Cada sistema hidráulico debe tener su propia reserva de fluido, ya sea por contenedores separados o usando un reservorio dividido al estilo OEM Nota: No se permiten líneas de freno de plástico.

b.34.3 Ubicación del freno: Los frenos en el eje conducido deben operar a través del manejo final. Frenos a bordo a través de juntas universales está permitido. Frenando sobre el eje de potencia o a través de una etapa intermediaria está prohibido. b.34.4 Corte de los frenos: “cutting brakes” operados a mano o por pie están permitidos mientras que la sección 34.1 sea también cumplida. Dentro del sistema de frenos está presente la parte eléctrica de los frenos, la cual está relacionada con la luz de freno, esta parte está mencionada en los artículos 22.4 y 22.4.1 de la sección 22 concerniente al sistema eléctrico del vehículo. b.22.4 Luz de freno: El vehículo debe estar equipado con una luz roja de frenos que esté montada de tal manera que la luz brille paralela al suelo, no hacia arriba en ángulo. La luz de freno debe estar montada a una altura mínima de 1m (39.4pulg) del suelo, generalmente entre la mitad y el tercio superior de la pared de fuego. La decisión de si la luz cumple con los requisitos mínimos requeridos descansa sobre los inspectores técnicos nacionales.

176

b.22.4.1 Interruptor de la luz de freno:

Todos los interruptores de las

luces de freno deben usar un interruptor de presión en la línea de frenos. Interruptores estilo empuje o momentáneos no serán permitidos. Para poder comprobar que el sistema funciona deben seleccionarse todos los elementos que lo conforman, siendo estos el cilindro maestro, los pistones, pastillas, bombas, calipers, discos, líneas de freno, líquido de freno, entre otros (estos para el sistema de frenos de disco), zapatas, porta zapatas, muelles, bombín, tambor, entre otros (estos para el sistema de frenos de tambor). 5.1 Elementos que conforman el sistema de frenos El sistema de frenos seleccionado es el de freno de disco el cual posee los siguientes elementos: Pedal de Freno. Bomba de Freno. Línea de Freno. Liga de Freno. Caliper Pastillas de Freno. Disco de freno. Básicamente, el diseño de frenos de disco, consiste en calcular el tamaño del disco y la cantidad de presión necesaria que se le debe aplicar a las pastillas para que el sistema se detenga, puesto a que los demás elementos que componen este sistema son consecuencia directa de estos cálculos. 5.2 Cálculos Necesarios para la selección de frenos:

El procedimiento para realizar estos cálculos es el siguiente: Calcular el peso transferido usando la relación del peso transferido a cada rueda. 177

Cálculo de las Reacciones en Cada Rueda. Cálculo de las Cargas Dinámicas en Cada Rueda. Cálculo de las Fuerza de Frenado en Cada Rueda. Cálculo de las Fuerzas Sobre los Discos de Freno.

Para comenzar el cálculo para la selección de estos frenos, se debe entender la dinámica del Baja en movimiento se analiza la transferencia de peso en la frenada. En el proceso de desaceleración del vehículo, se puede decir que ocurre una relación entre la fuerza aplicada, la cual genera un torque, y la presión existente en la línea del sistema de freno (en el caso de frenos hidráulicos). Al momento de ser aplicada la carga, puede ocurrir que uno de los ejes se bloquee, disminuyendo la maniobrabilidad del vehículo. Por lo tanto, lo que se busca es obtener una proporción adecuada, manipulando el torque y la presión, que permita que el frenado sea casi simultáneo en ambos ejes del vehículo. Durante la frenada la inercia que trae el vehículo produce una fuerza sobre el centro de gravedad del vehículo, lo que desplaza parte del peso total del vehículo hacia delante. La desaceleración del vehículo causa que la masa suspendida rote alrededor de un eje geométrico causando una reubicación del centro de gravedad. Esta transferencia de peso del eje trasero hacia el eje delantero es proporcional a la altura del centro de gravedad, es por ello que en el diseño de vehículos es recomendable obtener una altura del centro de gravedad lo más baja posible. La transferencia de peso causa que la tracción disponible en las 4 ruedas varíe, es por esto que durante la frenada las ruedas delanteras harán la mayor parte del frenado, esto resulta en una pérdida de tracción disponible. No hay que confundir esto con la transferencia de carga lateral que se produce en los giros, en los cuales la transferencia puede llegar a ser de 30 % de las ruedas internas hacia las externas. Para efectos de cálculo de la fuerza de frenado se tomará en cuenta lo que aproximan

178

varios autores y varias fuentes, en la que el peso transferido del eje trasero al eje delantero es de un 20 % del peso total del vehículo.

Se asume que esta transferencia se distribuye equitativamente en ambas ruedas, se determina para cada rueda la carga dinámica que soportan durante el frenado usando la expresión:

Ptrans 0.1 P Se estimó que el peso del vehículo sería 200Kg para efectos de cálculo de frenos se debe considerar el peso del vehículo con conductor debido al importante efecto en el peso total que produce; se consideró un peso de 113Kg para el conductor ya que este es el designado por el artículo 20.2 de las reglas Baja SAE Internacional, por lo tanto el peso total del vehículo se estableció en 310Kg lo que equivale a 3000N. Se calculó el peso transferido usando la relación del peso transferido a cada rueda:

Ptrans 0.1 P 0.1 3000 N 300 N Cálculo de las Reacciones en Cada Rueda Para calcular las reacciones en la carga dinámica se calculó el centro de gravedad del vehículo con ayuda del software Autodesk Inventor Professional 2011. El peso del conductor está incluido en el cálculo, lo que arrojó como resultado que la distancia desde el centro de gravedad hasta el eje trasero es 533.985mm y la distancia del centro del gravedad al eje delantero es 769.32mm como se muestra en la imagen.

179

P

RF

R T

FIGURA 74 Ubicación del Centro de Gravedad en el Vehículo

La reacción delantera se calculó haciendo sumatoria de momentos en el eje trasero:

La reacción trasera se calculó haciendo sumatoria de momentos en el eje delantero:

180

El centro de gravedad se ubicó a 650,968 mm de la rueda derecha y a 652,929 mm de la rueda izquierda, de modo que se calculó la reacción por separado en cada rueda: La reacción en la rueda frontal derecha se calculó haciendo sumatoria de momentos en la rueda frontal izquierda:

La reacción en la rueda frontal izquierda se calculó haciendo sumatoria de momentos en la rueda frontal derecha:

para la parte trasera se siguió el mismo procedimiento: La reacción en la rueda trasera derecha se calculó haciendo sumatoria de momentos en la rueda trasera izquierda:

La reacción en la rueda trasera izquierda se calculó haciendo sumatoria de momentos en la rueda trasera derecha:

181

En conclusión del análisis realizado a las reacciones de cada una de las ruedas del vehículo se obtiene: 

Reacción en la rueda frontal derecha (RFD ) = 617.5N



Reacción en la rueda frontal izquierda (RFI) =615.6N



Reacción en la rueda trasera derecha (RTD) = 889.6N



Reacción en la rueda trasera izquierda (RTI) = 886.95N

Cálculo de las Cargas Dinámicas en Cada Rueda Se calculó la carga dinámica que actúa sobre cada rueda usando las ecuaciones: Para las ruedas delanteras: Pd inf Para las ruedas traseras:

Pd inf

Pf

Pt

Ptrans

Ptrans

Donde Pf y Pt son las reacciones en las ruedas frontales y traseras respectivamente, por lo tanto las cargas dinámicas son:



Carga dinámica en la rueda frontal derecha (Pdinfd ):



Carga dinámica en la rueda frontal izquierda (Pdinfi):



Carga dinámica en la rueda trasera derecha (Pdintd):

182



Carga dinámica en la rueda trasera izquierda (Pdinti):

Cálculo de las Fuerza de Frenado en Cada Rueda Se calculó la fuerza de frenado en cada rueda, esta fuerza está en función del coeficiente de adherencia y la carga dinámica y cuya ecuación es:

Ff Donde

Pdin coeficiente de adherencia entre el suelo y el neumático.

Para establecer el coeficiente de adherencia entre el suelo y el neumático, se considera que este vehículo es diseñado para desempeñarse en terrenos rurales, es por esto que se usó un coeficiente entre neumático en condición de nuevo y tierra suelta en condición de semi húmeda, el cual es de 0.64 (este valor se mantiene constante para el diseño de este carro e igual para diseños futuros pues las condiciones son las mismas), con estos datos se calculó la fuerza de frenado en cada rueda: 

Fuerza de frenado en la rueda frontal derecha (Ffd ):



Fuerza de frenado en la rueda frontal izquierda (Ffi):



Fuerza de frenado en la rueda trasera derecha (Ftd):



Fuerza de frenado en la rueda trasera izquierda (Fti):

Cálculo de las Fuerzas Sobre los Discos de Freno Para encontrar la fuerza que se debe aplicar sobre los discos de freno se realiza una sumatoria de momentos donde se deduce que el momento generado por la 183

fuerza de cada rueda debe ser igual y opuesta al momento generado por la fuerza de fricción entre la pastilla y el disco de freno, considerando que la fuerza que se le aplica a los frenos actúa sobre el centro de gravedad de las pastillas y que la presión en esta es uniforme así se deduce la siguiente ecuación: Fuerza aplicada al disco de freno frontal derecho:

Fp

F fd R k

r

Donde FP : Fuerza aplicada al disco de freno, normal a su superficie

R : Radio del neumático r : distancia de aplicación entre el centro de gravedad de la pastilla y el centro de la

rueda. k

: Coeficiente de roce cinético, de pende de los materiales friccionantes. De la tabla valores de coeficientes de fricción del manual del ingeniero

mecánico se seleccionó un disco de freno de acero y para el material de la pastilla de freno se seleccionó material sintetizado, la combinación de estos materiales en un ambiente semi húmedo según la tabla es de 0.47. También para el valor de la distancia de aplicación entre el centro de gravedad de la pastilla y el centro de la rueda se utilizara para las ruedas delanteras un disco de 24cm de diámetro y para el eje trasero uno con 36cm de diámetro y bombas con un embolo de diámetro 2.2cm esta información fue obtenida debido a las experiencias en la construcción de los vehículos 2009 y 2010 a los cuales fueron aplicados estos frenos y funcionaron perfectamente, además, estas medidas son las de una moto común y corriente, es decir, que se pueden conseguir fácilmente en el mercado a precios accesibles.

184

La distancia de aplicación de la fuerza que actúa sobre el disco y el centro de la rueda es r = 120mm y el radio del neumático es de R=266.7mm, sustituyendo en la ecuación anterior se tiene:

Esta fuerza actúa desde una sola pastilla de freno ya que el caliper seleccionado posee es auto centrante, lo que quiere decir que tiene una sola pastilla de freno, de modo que la fuerza normal que actúa sobre el disco de freno delantero derecho es 2776.7N. Con este dato y tomando en cuenta el área del émbolo de la bomba de freno adquirida se tiene la presión que debe suministrar la bomba de freno, esta se calculó con la ecuación:

P

Fp donde el área es A

A

D2 4

0.022 m 4

2

1.83 x10 3 m 2

D: es el diámetro del émbolo del cilindro maestro el cual es de 22mm Se calcula la presión y se convierte a psi ya que es unidad que más se maneja en sistema de frenos: P

Fp A

Este mismo análisis se usó para obtener la fuerza que actúa en el disco de freno delantero izquierdo:

P

Fp A

185

Por exigencias de la competencia se tienen 2 bombas de freno, dispuestas de tal manera que una bomba se encargue de los discos delanteros y la otra se encargue del disco trasero, por lo tanto una sola bomba generará la presión para ambos discos frontales, pero para evitar el bloqueo se usa el menor valor de los 2 obtenidos, que aunque habrá deficiencia de presión en el otro disco simplemente se verá reducida su capacidad de frenado pero por otro lado si mantiene al máximo la capacidad de frenado del disco que requiere mayor presión habrá un inminente bloqueo en el disco que requiere menos presión, lo que produciría inestabilidad y pérdida de tracción. Usando la presión menor, ambos discos frenarán con la misma fuerza dentro del rango seguro. Esta presión se gradúa ya con las tuercas que están en el extremo del tornillo que sale del cilindro maestro, es en este extremo en donde se vincula la bomba de freno con el pedal. Se calculó la fuerza en el disco trasero usando el mismo procedimiento solo que en este caso se considera el efecto producido por ambas fuerzas de frenado sobre las ruedas traseras. Estos dos efectos producen un momento resultante el cual debe ser vencido por el par producido por la fuerza de roce generada entre el deslizamiento del disco de freno y la pastilla del disco trasero.

P

Fp A

La bomba de freno de la sección trasera trabajará a una presión menor que la bomba de freno de la sección frontal debido en parte a varios parámetros que influyen en este resultado, principalmente está el efecto de la transferencia de peso durante la frenada en el cual aproximadamente 20% del peso es transferido a la parte delantera, aunado a otros factores como un disco de mayor diámetro por lo tanto mayor torque de frenada.

186

Los demás elementos que componen el sistema de frenado son consecuencia directa de los diseños anteriores y de los valores obtenidos como lo son las líneas de freno pues no es más que conductos por los cuales va a viajar la liga de frenos desde la bomba hasta el caliper su recorrido debe ser lo más corto posible y debe poseer la menos cantidad de curvas posibles para evitar pérdidas de presión en cuanto a la selección de estas líneas solo se debe tener en cuenta a la hora de su compra es la presión de trabajo que fue obtenida con el cálculo de las fuerzas sobre los discos de freno si las líneas seleccionadas son capaces de soportar dicha presión entonces cumplir efectivamente su función, por último el diseño del pedal de freno queda abierto a los gustos del diseñador igual que su colocación en el chasis, solo se debe tener en cuenta que al ser accionados con cierta presión estos deben ser capases de presionar el vástago de las bombas de freno de manera uniforme y deben recorrer lo necesario para que las bombas administren la presión calculada.

187

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES Si desean comunicarse conmigo mi correo es [email protected] Luego de realizadas todas las actividades planteadas y lograr los objetivos de esta investigación se pueden concluir lo siguiente: Luego de realizado un diagnostico de la situación y de las condiciones en las que se encuentran actualmente en equipo de SAE UNEXPO VRB se concluyo que existe la necesidad de crear un procedimiento para el diseño de vehículo categoría Mini Baja SAE, el cual fue desarrollado de manera sistemática y utilizando todas los conocimientos adquiridos en las fases I y II además de lo extraído del marco teórico. Se Establecieron los parámetros más adecuados para el procedimiento del diseño de un vehículo categoría Mini Baja SAE concluyendo con la creación del mismo, los cuales establecieron una estructura organizativa que determinaron el esquema que se desarrollo para el procedimiento. Todos los sistemas que componen el vehículo tienen su nivel de dificultad pero hay que destacar que los cálculos para la realización de la suspensión y transmisión son mas difíciles de conseguir y mucho mas delicados puesto a que en gran medida estos cálculos condicionaran muchas de las funciones operativas del vehículo es por esto que hay que ser verificados minuciosamente. La sección del diseño del chasis puede ser relativamente mas fácil de diseñar que otros sistemas pero esta esta sometida a muchas reglas muy rigurosas que los inspectores autorizados por la SAE verifican con mucho cuidado es por eso que se debe diseñar siempre y cuando se tenga un conocimiento y entendimiento total de estas normas, además muchas de las partes de este diseño son sensibles a cambios de diseño debido a que los demás sistemas se adosan a el, es por esto que el chasis es un

188

diseño que tiene que estar sometido a muchos cambios desde su comienzo hata su finalización Siguiendo el mismo orden de ideas, muchos de estos sistemas pueden ser obtenidos en el mercado como son los portamasas, puntas de eje entre otros, los cuales pueden reducir el tiempo de fabricación pero aumentar el costo del vehículo. Por último se puede observar que la mayoría de los sistemas que componen el vehículo son sistemas que parten de los mismos principios, logrando así establecer un procedimiento estándar para el diseño de los mismos, y ser mejorados a través de nuevas experiencias adquiridas en futuras competencias.

189

RECOMENDACIONES

Luego de la realización de este procedimiento hecho a la par del diseño del vehículo

mini

BAJA

2011

son

de

importancia

resaltar

las

siguientes

recomendaciones: Para que el diseño de todos estos sistemas tenga mas y mejores resultados es recomendable que sean sometidos a pruebas de análisis de elementos finitos por ejemplo el chasis es bueno someterlo a numerosos golpes en toda su estructura con la finalidad de ver como seria su comportamiento baja las condiciones mas rigurosas y si analizar si es necesaria la colocación de refuerzos en algún punto. Así mismo, todos estos sistemas pueden ser estudiados en mayor profundidad en otros trabajos de grado ya realizados por Perry J. (2009), Zamorano E (2010), Herrera H. (2010) y Colmenares C. (2011) Cabe destacar que el proceso de diseño de un vehículo de esta categoría es un proceso de ensayo y error donde todos los sistemas son sensibles a todo tipo de cambios, a tevés de múltiples variables sean económicas o si se cuenta con las herramientas necesarias para su fabricación es por ello que al momento de la construcción se debe realizar un análisis de factibilidad económica y un análisis de factibilidad técnica. Al momento de la construcción de este prototipo es bueno que el equipo se divida en sub equipos de trabajo abordando cada sub equipo a un sistema en particular para que se logre la construcción en el menor tiempo posible.

190

REFERENCIAS Fuentes Bibliográficas

-

Balestrini Acuña, Mirían (1998) Cómo se elabora el Proyecto de Investigación

(2da Edición) Caracas: BL Consultores Asociados. -

Beer F y Russell Johnston E; Mecánica vectorial para ingenieros. Dinámica,

Ed. Mcgraw-Hill. -

Beer F y Russell Johnston E; Mecánica vectorial para ingenieros. Estática, Ed.

Mcgraw-Hill. -

Fajardo, O. & Rodríguez, H. (2004). “Construcción de un chasis para

vehículo tipo Kart de la categoría intercontinental “C” de la Comisión Internacional de Karting- Federación de Automovilismo”. Trabajo de grado, Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre” Vice-Rectorado Barquisimeto, Venezuela. -

HERRERA E. (2010) trabajo especial de grado titulado

“Diseño y

construcción los sistemas de dirección y suspensión para el prototipo Mini Baja SAE 2010”. Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre”. Barquisimeto, Venezuela. -

Maradey (2004) ejecutó una investigación titulada “Diseño y Selección de un

Sistema de Dirección para un Vehículo Tipo Kart”. Trabajo de grado, Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre” Vice-Rectorado Barquisimeto, Venezuela.

191

-

Mott R. (2006) Diseño de elementos de maquinas, 4ta ed. Editorial Pearson

Education, México. Mott, R.L. “Resistencia de Materiales Aplicada”, Prentice Hall. 3ra Edición,

-

México,1998 PERRY, John. (2009) en trabajo especial de grado titulado “Diseño y

-

construcción del chasis, sistema de suspensión y sistema de frenos de un vehículo todoterreno de la serie Mini Baja”. Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre”. Barquisimeto, Venezuela. Shigley y C.R. Mischke, (2002)“Diseño en Ingeniería Mecánica”, 6ª Edición,

-

McGraw Hill,. Mexico -

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA EXPERIMENTAL LIBERTADOR.(2001)

Manual de Trabajos de Grado de Especialización y Maestría y Tesis Doctorales, Fedupel, Caracas. ZAMORANO, E. (2010) en trabajo especial de grado titulado “Diseño,

-

Fabricación y análisis de esfuerzos mecánicos del chasis de un vehículo categoría mini baja sae 2010”. Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre”. Barquisimeto, Venezuela.

Fuentes Electrónicas. -

http://mecanicavirtual.iespana.es/suspension-tipos.htmPagina creada por Dani meganeboy. Actualizada: 26 Diciembre, 2004)

-

http://es.wikipedia.org/wiki/Transmisi%C3%B3n_mec%C3%A1nica revisión Enero 2011 http://www.acerospalmexico.com.mx/1018.htm revisión Enero 2011 http://es.wikipedia.org/wiki/Autodesk_Inventor revisado abril 2011)

192

ANEXOS

193

ANEXO 1 Propiedades del Acero AISI 4130 Cromo Molibdeno Fuente: http://www.matweb.com/ [Consulta: 2011, mayo]

194

ANEXO 2

Dimensiones del motor FUENTE: http://www.briggsandstratton.com/engines-racing/racingengines/engine/?model=I%2FC

FIGURA 75 Vista posterior

195

FIGURA 76 Vista superior

FIGURA 77 Vista frontal

196

ANEXO 3

ESPECIFICACIONES GENERALES DE LA CVT COMET MODELO 790 Fuente: http://forums.sae.org/access/dispatch.cgi/bajasae_pf/docProfile/101416/!Back!

197

FIGURA 78 ESPECIFICACIONES GENERALES DE LA CVT COMET MODELO 790

ANEXO 4 Varias vistas del montaje final de todos los sistemas diseñados

198

FIGURA 79 Vista isométrica del vehículo 1

FIGURA 80 Vista isométrica del vehículo 2

199

FIGURA 81 Vista isométrica del vehículo 3

FIGURA 82 Vista isométrica del vehículo 4

200