DISEÑO DEL SISTEMA DE SUSPENSION DE UN VEHÍCULO MONOPLAZA TIPO FORMULA SENA
EDGAR YOBANY BUITRAGO BETANCOURT C.C. 1128423595
TRABAJO PRESENTADO COMO REQUISITO PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO MECÁNICO
ASESOR: ING. JUAN FERNANDO RAMIREZ DOCENTE ESCUELA DE MECATRONICA
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLIN FACULTAD DE MINAS 2011
AGRADECIMIENTOS
Agradezco en primer lugar a Dios por proveer la vida y darme la oportunidad de disfrutarla; a mi Familia por su apoyo incondicional, al profesor Juan Fernando Ramírez por su asesoría técnica y por invitarme a participar en la Formula Sena.
A los Compañeros de la Escudería Sagitta por su amistad y por su aporte en el equipo con trabajo y buenas ideas, al Ingeniero Julián Sierra Pérez por ser la guía del equipo y un ejemplo a seguir.
Agradezco a mis amigos y compañeros de Universidad y en general a todas aquellas personas que hicieron posible que este proyecto saliera adelante.
CONTENIDO
INTRODUCCION
pág. 8
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
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OBJETIVOS
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1. CAPÍTULO 1: Estado Del Arte 1.1 RESORTES 1.1.1 Terminología usada en el estudio de resortes 1.1.2 Resortes de espira 1.1.3 Resortes de hojas 1.1.4 Resortes de barra de Torsión 1.1.5 Resortes de Aire 1.2 AMORTIGUADORES 1.3 PUNTALES 1.4 NEUMÁTICOS 1.4.1 Función y tipos de neumáticos 1.4.2 Tipos de neumáticos 1.4.3 Ruedas 1.5 TIPOS DE SUSPENSIÓN 1.5.1 Suspensión dependiente 1.5.2 Suspensión independiente 1.5.3 Parámetros geométricos de suspensión y dirección 1.5.4 Parámetros cinemáticos de la suspensión 1.6 BARRAS ESTABILIZADORAS 2. CAPÍTULO 2: Diseño conceptual del sistema de suspensión 2.1 Metodología de diseño 2.1.1 Clarificación de objetivos 2.1.2 Análisis funcional 2.1.3 Generación de alternativas 2.1.4 Selección de alternativas 2.1.5 Descripción de la alternativa 3 CAPÍTULO 3: Diseño para dar forma 3.1 Metodología de Diseño para dar forma 3.1.1 Requerimientos del diseño para dar forma
11 11 12 12 13 14 14 15 17 18 18 19 20 21 21 22 26 32 33 34 33 34 36 36 39 42 44 44 45
3.1.2 Dibujos a escala de las restricciones espaciales 3.1.3 Análisis de diseño 3.1.4 Ángulos importantes y sistemas de ajuste 3.1.5 Rediseño de la suspensión 3.1.6 Análisis dinámico y validación por elementos finitos 3.1.7 Verificación de las frecuencias naturales del sistema 4 CAPÍTULO 4: Proceso de Construcción 4.1 Fabricación de las tijeras 4.2 Elementos comerciales y anclaje 4.3 Ajuste y puesta a punto del sistema de suspensión 4.4 Algunas Imágenes Formula SENA: Válida Tocancipá 5 CONCLUSIONES 6 BIBLIOGRAFIA
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CONTENIDO DE FIGURAS Figura 1.Resortes en movimiento Figura 2.Terminología y extremos típicos de resortes de espiras Figura 3. Resorte de hojas Figura 4. Geometría básica de un resorte de torsión Figura 5. Geometría básica de un resorte de aire. Figura 6. Amortiguación Figura 7. Tipos comunes de amortiguadores Figura 8. Ensamble de un Portamangueta. Figura 9. Funciones del neumático. Figura 10. Neumáticos de construcción diagonal. Figura 11. Neumático de construcción radial. Figura 12. Diseño típico de una llanta de un automóvil. Figura 13. Suspensión Panhar rod. Figura 14. Suspension Watts Link Figura 15. Suspensión Hotchkiss Figura 16. Suspensión Mc Pherson Figura 17. Evolución de la suspensión doble tijera Figura 18. Suspensión tipo Pull-rod. Figura 19. Suspensión tipo Push-rod Figura 20. Ángulo Camber (negativo). Figura 21. Efecto del ángulo Camber en Curva Figura 22a. Ensayo de Camber de Goodyear Figura 22b. Ensayo de Camber de Goodyear Figura 22c. Ensayo de Camber de Goodyear Figura 23. Ángulo Cáster o de Avance Figura 24. Ángulo King pin o de inclinación Figura 25. Convergencia-divergencia. Figura 26. Momento debido a la resistencia de rodadura. Figura 27. Centro Instantáneo y centro de rotación Figura 28. Barra estabilizadora Figura 29. Árbol de objetivos para el diseño de la Suspensión Figura 30. Caja Negra. Figura 31. Caja Transparente. Figura 32. Esquema de la Suspensión Pushrod. Figura 33. Pasos del diseño para dar forma Figura 34. Primer boceto de la Suspensión Figura 35. Vista frontal primer boceto de la Suspensión
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Figura 36. Vista Superior boceto modificado de la Suspensión Figura 37. Rediseño de la Suspensión delantera Figura 38. Rótula comercial marca IKO Figura 39. Montaje de rótulas en las tijeras de la suspensión Figura 40. Montaje de sistema de ajuste de camber. Figura 41. Montaje conexión Portamasas-Tijera Inferior. Figura 42.Esfera de Renault 9. Figura 43.Pieza de conexión. Figura 44.Balancín. Figura 45.Ajuste de barra pushrod. Figura 46.Modelo Caso: Obstáculo en el Camino Figura 47.Analisis por MEF, caso obstáculo en el camino Figura 48. Modelo Caso: vehículo en Curva Figura 49.Analisis por MEF, caso Vehículo en Curva Figura 50.Esquema transferencia de Masa Figura 51. Vista Frontal esquemática de la suspensión Figura 52. Diagrama de cuerpo libre de la suspension Figura 53. Validación por MEF del balancín (factor de seguridad) Figura 54. Validación por MEF del balancín (Von Mises) Figura 55. Matriz para construcción de tijera Figura 56. Tijeras y mesa de sujeción de las matrices. Figura 57. Anclaje por rotulas comerciales Figura 58. Imagen de la Suspensión Delantera construida Figura 59. Ajustes de la suspensión en Taller Figura 60. Ajustes previos a una de las carreras Figura 61. Imágenes Fórmula Sena Tocancipá
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CONTENIDO DE TABLAS Tabla 1. Diagrama Morfológico Tabla 2. Carta de selección Tabla 3. Tabla de Objetivos Ponderados Tabla 4. Principales componentes de la suspensión push-rod Tabla 5.Características Mecánicas de la Tubería de las Tijeras
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INTRODUCCIÓN Formula Sena es un concurso promovido por el SENA (Servicio Nacional de Aprendizaje) a nivel nacional que consiste en el diseño y construcción de un vehículo monoplaza de competición. En Colombia es la primera vez que un proyecto de este tipo se lleva a cabo. En la primera fase del concurso se realizó una preselección de equipos de diferentes regionales del país, donde se decidió finalmente que el SENA apoyaría únicamente la construcción de 12 vehículos, entre ellos el de la regional Antioquia. El proyecto se realiza en conjunto con universidades de la región. Por la Escudería Sagitta de la regional Antioquia participan estudiantes de las siguientes universidades: Universidad Nacional de Colombia-Sede Medellín, Universidad Pontificia Bolivariana, Universidad EAFIT y Universidad de Antioquia. Adicionalmente participan Aprendices SENA de programas técnicos como Mantenimiento de motores a gasolina, Máquinas y Herramientas, y programas tecnológicos como: Mantenimiento mecatrónico de Automotores, Máquinas herramientas CNC, Gestión del ciclo de vida del producto, Automatización industrial, y Electricidad industrial. Los estudiantes universitarios se encargaron de realizar todo el diseño conceptual y de detalle del vehículo. Los aprendices SENA participaron activamente en el “HACER” del vehículo, generando un clima de retroalimentación entre Universitarios y aprendices con el fin de estrechar lazos de cooperación entre los dos tipos de academia vinculada en el desarrollo de este proyecto. El presente trabajo recoge toda la etapa de diseño del sistema de suspensión del monoplaza Antioqueño, pasando por un diseño conceptual y un diseño de detalle validado por medio de herramientas computacionales muy conocidas actualmente. Se espera con este documento aportar de alguna manera a iniciativas de desarrollo de vehículos de competencia en Colombia y que sea un precedente para las futuras versiones de la Formula Sena en Colombia.
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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Uno de los sistemas más críticos de un vehículo es el sistema de suspensión ya que es el encargado de soportar el peso del carro en primer lugar, absorber las irregularidades del terreno para dar confortabilidad en el manejo y proporcionar el contacto en todo momento de las ruedas con el suelo. En el desarrollo del proyecto del monoplaza de la regional Antioquia surge la necesidad del diseño y validación de un sistema de suspensión para el vehículo que sea confiable bajo las condiciones a las que estará sometido en la carrera (tipo de pista, velocidades estimadas, radios de curvatura, peraltes, condiciones climáticas, etc.) y que se acomode a las restricciones dadas por el reglamento del concurso (Ver Anexo A).
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OBJETIVO GENERAL: • Diseñar el Sistema de suspensión de un vehículo monoplaza tipo Formula Sena. OBJETIVO ESPECÍFICOS: • Generar alternativas de tipos de Suspensión que sean apropiadas para vehículos de competencia y que cumplan las restricciones del reglamento del concurso. • Seleccionar la solución más adecuada de sistema de suspensión para las condiciones de la carrera, las restricciones del concurso y para los recursos con que se cuenta. • Generar los planos de taller para la construcción del sistema de suspensión. • Supervisar la construcción del sistema de suspensión, su montaje y puesta a punto en el vehículo.
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1.
Estado del Arte
Hablar de la geometría de una suspensión significa la manera como la masa no suspendida de un vehículo es conectada a la masa suspendida (Milliken & Milliken, 1995). Esta conexión se realiza mediante varios brazos que permiten un movimiento aproximadamente vertical de la rueda respecto al cuerpo del vehículo controlado por los resortes y amortiguadores (Popa, 2005). Los principales componentes de una suspensión son: 1. 2. 3. 4.
Resortes Amortiguadores Puntales Neumáticos
Cuando una carga adicional es localizada sobre los resortes o el vehículo encuentra una protuberancia en el camino, los resortes absorben la carga por compresión (Popa, 2005). Ver FIGURA 1.
Figura 1.Resortes en movimiento
(Tomada de “Race car vehicle dynamics”, Milliken, W. F., & Milliken, D. L.1995)
1.1 Resortes Los resortes son vínculos flexibles que permiten un movimiento relativo vertical entre el chasis y las ruedas. Los resortes soportan el peso del vehículo, cargas
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dinámicas, y aerodinámicas, mantienen rígido el vehículo y absorben las protuberancias del camino (Popa, 2005). Los diseños de resorte más usados actualmente son: -Resortes de espira -Resortes de hojas -Barras de torsión -Resortes de aire 1.1.1 Terminología usada en el estudio de resortes: Rebote (bounce): Se refiere al movimiento vertical (hacia arriba y hacia abajo) del sistema de suspensión. Vaivén (jounce): Es el recorrido de la suspensión al comprimirse el resorte y el amortiguador. Constante del resorte (Spring rate): Es usada para medir la resistencia del resorte. Es la cantidad de peso que se requiere para comprimir el resorte una distancia dada. Masa o Peso Suspendido: Es el peso soportado por los resortes. Por ejemplo, la carrocería, transmisión, chásis y el motor también serían pesos suspendidos. Masa o Peso No-Suspendido: Es el peso que no es soportado por los resortes. Por ejemplo, las llantas, montaje de frenos, etc. 1.1.2 Resortes de espira: Utilizan las propiedades elásticas de un alambre en torsión para producir una constante lineal del resorte. Son los mas ampliamente usados para suspensiones independientes de automóviles y son usados también en suspensiones de eje. La forma más común es la helicoidal en la cual el diámetro principal del resorte es constante. Son usados para trabajar a compresión o a tensión. La FIGURA 2 muestra la Terminología usada y los extremos típicos que son usados para resortes de compresión (Society of Automotive Engineers, april 1990).
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Figura 2. Terminología y extremos típicos de resortes de espiras helicoidales (Adaptado de “Manual on design and aplicatión of helical and spiral springs of Society of Automotive Engineers,1990)
1.1.3 Resortes de Hojas: El diseño de este tipo de resortes es considerablemente mas complejo que el diseño de una barra de torsión o de un resorte helicoidal. Esto debido principalmente a que existen más variables de diseño (Milliken & Milliken, 1995). Hay dos tipos de diseños: -Multi hoja -Mono hoja El diseño multi-hoja se muestra en la FIGURA 3, es hecho de varias placas de acero de diferentes longitudes ensambladas juntas. Durante la operación las hojas se “aplanan” y deslizan una sobre otra permitiendo el movimiento de la suspensión.
Figura 3. Resorte de hojas (Tomada de “Race car vehicle dynamics”, Milliken, W. F., & Milliken, D. L.1995)
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1.1.4 Resortes de barra de Torsión: En una barra de torsión, son usadas las propiedades elásticas de una barra larga en torsión para producir un coeficiente lineal de resorte que es comparable con la de un resorte helicoidal. La carga del resorte es usualmente convertida a torque alrededor de la línea de centro de la barra por medio de un brazo en uno o ambos extremos. La FIGURA 4 muestra la geometría básica de un resorte de torsión.
Figura 4. Geometría básica un resorte de torsión. (Adaptada de “Race Car vehicle dynamics”, Milliken, W. F., & Milliken, D. L.1995)
En la práctica la carga no siempre es perpendicular a R. La barra de torsión en sí misma puede tener diferentes secciones transversales, siendo la circular la mas ampliamente usada junto con la ovalada y la rectangular (Milliken & Milliken, 1995). 1.1.5 Resortes de Aire: Los resortes de aire son otro tipo de resorte que se ha vuelto muy popular en vehículos de calle, camiones livianos y pesados. El resorte de aire como se ve en la FIGURA 5 es un cilindro de caucho llenado con aire comprimido. Un pistón ligado a uno de sus extremos conectado a la estructura de la suspensión se mueve hacia arriba y hacia abajo. Esto causa la compresión del aire para brindar la acción de resorte. Si el vehículo cambia de carga, una válvula en la parte de arriba de la bolsa de aire abre para liberar o adicionar aire. Un compresor a bordo suple de aire al sistema (Popa, 2005).
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Figura 5. Geometría básica un resorte de aire. (Adaptada de http://www.streetrodparts.tv/00tci-custom-ifs.htm, 2011)
1.2 Amortiguadores Si la suspensión fuera equipada únicamente con un resorte, este rebotaría hacia a arriba y hacia abajo varias veces después de cada resalto. Cuando se comprime debido a un resalto, una suspensión requiere una manera de disipar la energía que es almacenada en el resorte. El amortiguador es un aparato que disipa la energía y mantiene la suspensión controlada al rebote. Las ideas básicas del sistema de amortiguación las ilustra la FIGURA 6.
Figura 6. Esquema básico de Amortiguación (Adaptada de “Race Car vehicle dynamics”, Milliken, W. F., & Milliken, D. L.1995)
En este sistema hay tres fuerzas las cuales gobiernan el comportamiento dinámico (Milliken & Milliken, 1995): 1. La Fuerza Inercial: Es debida a la aceleración de la masa la cual es función de la masa y la aceleración.
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2. La fuerza de amortiguamiento: Es una función de la velocidad a través del amortiguador y el coeficiente de amortiguamiento. 3. La fuerza del resorte es una función del desplazamiento del resorte y la constante del resorte. Tipos comunes de amortiguadores se ilustran en la FIGURA 7 (Popa, 2005). A. De contenido de aceite: Es el más común de los amortiguadores. Este tipo es usado en suspensiones de vehículos y de motocicletas. Muchos amortiguadores tienen constantes de resortes y de amortiguamiento variables (Popa, 2005). Muchos amortiguadores de aceite (FIGURA 7A) tienen pequeñas cantidades de amortiguamiento de compresión y mucho más cantidad de amortiguamiento de rebote lo cual significa que el amortiguador se mueve fácilmente cuando este se comprime para absorber un resalto, y luego suavemente para relajar la energía almacenada por el resorte (Milliken & Milliken, 1995) B. Cargado de gas: Hay amortiguadores equipados con gas (FIGURA 7B), típicamente nitrógeno. Esos amortiguadores tienen un pistón extra en el fondo del cilindro del amortiguador con aceite sobre la cabeza y gas a alta presión por debajo de esta. Generalmente se usa nitrógeno de 30 a 300 psi para que el aceite no combustione con el gas. C. De tanque de reserva: La reserva de este tipo de amortiguadores es usada con el fin de ayudar a disipar mejor el calor (FIGURA 7C).
Figura 7. Tipos comunes de amortiguadores (Adaptada de “Steering System and Suspension Design.”. Popa, C. E. (2005).
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1.3 Puntales (Ensamble Portamangueta) Es un conjunto de elementos que ensamblados proporcionan una conexión rígida pero funcional entre los miembros estructurales de la suspensión y la rueda. Las piezas que hacen parte de este conjunto dependen del tipo de vehículo pero en general se pueden distinguir como se observa en la FIGURA 8: El Portamangueta (Upright en Inglés), la mangueta o maza (Hub en inglés), rodamientos, bocín, y disco de frenado.
Figura 8. Ensamble de un Portamangueta (CAD proporcionado por la Organización de la Formula Sena 2010).
En vehículos de competencia se busca minimizar el peso de estos componentes ya que hacen parte junto con la rueda de la “masa no suspendida1”del vehículo.
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La masa no suspendida influye tanto en la capacidad de una rueda de seguir irregularidades, como en su capacidad de aislamiento de las vibraciones. Los baches y las imperfecciones de la superficie de la carretera causan una compresión del neumático, que da lugar a una fuerza sobre la masa no suspendida. Ésta responde a dicha fuerza con un movimiento propio, inversamente proporcional a su peso. Así, una rueda ligera actúa más rápido que una pesada frente a un bache, y tendrá más agarre al circular sobre esa superficie. Por esa razón, las ruedas ligeras se suelen utilizar en aplicaciones de alto rendimiento. En contraste, una rueda pesada que se mueva menos y más lentamente no absorbe tantas vibraciones y las irregularidades del asfalto se transfieren a la cabina, deteriorando así la comodidad. Tomado de: http://es.wikipedia.org/wiki/Masa_no_suspendida
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El Portamangueta sirve también como soporte para elementos de otros sistemas del vehículo como la mordaza del freno (Caliper en inglés), los brazos de la dirección, conductos de frenos (Tubing en inglés), etc.
1.4 Neumáticos Todas las fuerzas que controlan o perturban la marcha de un automóvil, con la única excepción de las aerodinámicas, se generan en la zona de contacto ruedacarretera. Estas fuerzas determinan la manera en que un vehículo es capaz de negociar las curvas, frenar y acelerar. El estudio de la interacción neumáticocarretera es por lo tanto crucial en la dinámica de vehículos automóviles. El desarrollo de los materiales que componen el neumático, y también el de las tipologías constructivas, está guiado por un detallado conocimiento de la mecánica del proceso de deformación y generación de fuerzas en el contacto. El comportamiento del neumático es fuertemente no-lineal, la creación de modelos no es sencilla. En general es necesario recurrir a gran cantidad de datos experimentales para caracterizar su comportamiento (Publio pintado Sanjuán, 1994). 1.4.1 Función y tipos de neumático La función del neumático es generar fuerzas de contacto con la carretera. Esta fuerza de contacto puede ser dividida en componentes según las direcciones longitudinal, transversal y vertical. Cada una de estas componentes debe tener, y tiene, unas características especiales. Se puede, entonces hacer una división según la dirección de la fuerza. De esta resultan las siguientes funciones: 1. Soportar la carga vertical a la vez proporcionar cierta “suspensión” frente a irregularidades del camino 2. Generar fuerzas longitudinales para frenar y acelerar. 3. Generar fuerzas transversales para negociar curvas. La primera de las funciones es la que determina buena parte de las características constructivas del neumático. En efecto, soportar la carga proporcionando cierta elasticidad obliga a tres niveles de flexibilidad en función del tamaño característico de las irregularidades (Publio pintado Sanjuán, 1994). 1. La banda de rodadura debe ser extraordinariamente flexible para absorber la rugosidad de la pista (ver FIGURA 9).
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2. La estructura debe ser tal que envuelva o absorba obstáculos de tamaño menor que la región de contacto. Esto es, la estructura de la rueda debe ser localmente muy flexible. 3. La estructura debe tener además cierta flexibilidad global para hacer de suspensión primaria de todas aquellas masas no soportadas por el sistema de suspensión propiamente dicho.
Figura 9. Funciones del neumático. (Tomada de “Un curso de automoción.”. Publio pintado Sanjuán, (1994))
1.4.2 Tipos de Neumáticos: Los neumáticos están formados por una carcasa de goma reforzada con fibras o cordones, ya sean orgánicos o metálicos. La carcasa está compuesta de varias láminas cada una de las cuales tiene el refuerzo orientado en una dirección particular. De acuerdo a la orientación del refuerzo se define el tipo de neumático (Publio pintado Sanjuán, 1994). Los neumáticos diagonales tienen láminas con los cordones formando un ángulo con el plano diametral y alternadas (ver FIGURA 10).
Figura 10. Neumáticos de construcción diagonal. (Tomada de “Un curso de automoción.”. Publio pintado Sanjuán, (1994))
Los neumáticos radiales tienen refuerzos a 90° respecto del plano diametral (ver FIGURA 11). Esta construcción es inestable, cualquier pequeña variación en el 19
espaciado entre cordones daría lugar a bultos inaceptables al inflar el neumático. Por esta razón los neumáticos radiales se refuerzan con un cinturón formado por varias láminas en donde los cordones se orientan con cierto ángulo de inclinación.
Figura 11. Neumático de construcción radial. (Tomada de “Un curso de automoción.”. Publio pintado Sanjuán, (1994))
1.4.3 Ruedas Las ruedas de la mayoría de vehículos están formadas por dos piezas estampadas en acero y soldadas. Estas dos piezas son la llanta y el cubo. Aleaciones de aluminio o magnesio fundido se utilizan para ruedas especiales. La geometría básica se muestra en la FIGURA 12. Los requerimientos de las ruedas son simples. Debe permitir un posicionamiento suficientemente exacto del neumático, mantener la estanqueidad del mismo, permitir su montaje y desmontaje, y ser capaz de transmitir cargas verticales y horizontales. Puesto que en ocasiones estas cargas tienen un carácter violento, es conveniente que la rueda esté dotada de una cierta flexibilidad.
Figura 12. Diseño típico de una llanta de un automóvil. (Tomada de “Un curso de automoción.”. Publio pintado Sanjuán, (1994))
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Aunque existen cubos de rueda planos, la mayoría se fabrican con curvatura para mejorar la flexibilidad radial y la rigidez transversal. El diseño anterior se está generalizando incluso para el caso de vehículos industriales en los que, tradicionalmente, se han usado llantas partidas y neumáticos con cámara (Publio pintado Sanjuán, 1994).
1.5 Tipos de Suspensión: Hay dos tipos comunes de sistemas de suspensión usados frecuentemente hoy día: Suspensión dependiente y Suspensión independiente (Barry, 2006). 1.5.1 Suspensión Dependiente: También llamada “de puente rígido” se usa en vehículos industriales por la simplicidad del mecanismo y reducido número de elementos que consta. El objetivo es disponer de grupos de ejes para que funcionen como unidad, con esto se consigue repartir la carga entre los neumáticos (Publio pintado Sanjuán, 1994). A continuación se abordaran tres tipos de suspensión dependiente que son los más comunes en este tipo de vehículos. Los sistemas Panhard rod y Watts Link de las FIGURAS 13 y 14 respectivamente, pretenden evitar el movimiento relativo entre el eje hacia los lados y el cuerpo del vehículo. El sistema Watts link genera un movimiento de la masa suspendidas que se aproxima a una línea recta vertical mientras que el Panhard rod ajusta el movimiento lateral del vehículo, es decir previene el movimiento del eje hacia un lado del vehículo, por esta razón es frecuente ver los dos sistemas trabajando juntos.
Figura 13. Suspensión Panhard rod. (Tomada de “Un curso de automoción.”. Publio pintado Sanjuán, (1994))
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Figura 14. Suspensión Watts Link: (Tomada de “Un curso de automoción.”. Publio pintado Sanjuán, (1994))
El sistema Hotchkiss de la FIGURA 15 es uno de los más utilizados actualmente. Uno de los principales inconvenientes de este tipo de suspensión es la elevada inercia lineal y giroscópica del puente que hace las veces de inercia no suspendida. Además, el acoplamiento giroscópico de las ruedas del eje 2 direccionable puede dar lugar a vibraciones tipo Shimmy . Estos ejes, sin embargo permiten grandes niveles de carga y necesitan bajo mantenimiento (Publio pintado Sanjuán, 1994).
Figura 15. Suspensión Hotchkiss (Tomada de “Un curso de automoción.”. Publio pintado Sanjuán, (1994))
1.5.2 Suspensión Independiente: Una suspensión Independiente permite que las ruedas suban o bajen sobre sí mismas sin afectar la rueda opuesta. En este caso, las ruedas (de transmisión) están conectadas mediante juntas universales con ángulos de balanceo. La principal ventaja de una suspensión independiente es que ésta permite 2
El efecto Shimmy es conocido como una oscilación indeseada de las ruedas delanteras de un vehículo, la cual puede algunas veces tomar graves proporciones. Sus causas no son aún muy claras, sin embargo la fricción seca entre conexiones de la suspensión, las características de la rueda y la tolerancia en los rodamientos, son elementos esenciales que determinan el comportamiento Shimmy. Ver más información en http://archive.pepublishing.com/content/l30u1q00v6m8hr7w/
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movimientos independientes en las ruedas, tal que cuando una pasa un resalto la otra no se ve afectada (Popa, 2005). De entre el gran número de diseños de suspensiones independientes se destaca, por la profusión de su uso, la suspensión McPherson y la de doble tijera. 1.5.2.1 Suspensión McPherson:
La suspensión McPherson es más común en ejes delanteros que traseros, mientras que la doble tijera lo es en los ejes traseros (Publio pintado Sanjuán, 1994). La Suspensión McPherson es un tipo de suspensión habitualmente utilizada en los automóviles modernos, toma su nombre de Earl S. McPherson, un ingeniero que la desarrolló para su uso en 1951, en el modelo Ford Consul y después en el Zephyr. Puede ser utilizada tanto en el eje delantero como en el trasero, al utilizarse en el eje delantero, proporciona un punto de apoyo a la dirección y actúa como eje de giro de la rueda (ver FIGURA 16). Aunque tiene como ventajas su simplicidad y bajo costo de fabricación, tiene un problema geométrico, ya que debido a su configuración no es posible que el movimiento de la rueda sea vertical, sino que el ángulo vertical varía algunos grados durante su movimiento. Además transmite el movimiento directamente del asfalto al chasis, lo que provoca ruidos y vibraciones en el habitáculo.
Figura 16. Suspensión McPherson (Tomada de http://www.automobiles.honda.com/images/2007/element-sc/engineeringphotos/MacPherson_Strut_Front_Suspension.jpg, Marzo 2011)
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1.5.2.2 Suspensión Doble tijera: Las ruedas de los fórmula 1 siempre se han montado sin carenar (descubiertas), por lo que los elementos de sujeción de las ruedas siempre han ido “al aire” (Imagen A de la FIGURA 17). Por ello, además de buscarse una suspensión de comportamiento óptimo, se han perseguido otros objetivos secundarios como baja resistencia aerodinámica, ligereza y bajo centro de gravedad. Estos objetivos obligaron a los diseñadores a introducir todos los elementos posibles de la suspensión en el interior de la carrocería y dejar “al aire” lo mínimo.
Figura 17. Evolución de la suspensión doble tijera en vehículos de competencia. (Adaptado de http://grandprixactual.com/WordPress/wp-content/uploads/2009/.jpg, Marzo 2011)
Inicialmente se buscó ocultar el conjunto muelle-amortiguador (Imagen B de la FIGURA 17) y se continuó por reducir la sección de los brazos de la suspensión a la mínima expresión. Esta estilización de los brazos obligó a que los brazos sólo estuviesen sometidos a esfuerzos axiales. Y así nacieron las arquitecturas pull-
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rod (Imagen C de la FIGURA 17) y push-rod (Imagen D de la FIGURA 17), tan extendidas hoy en la alta competición. Estas configuraciones se basan en el principio de diseño estructural, donde se utilizan miembros estructurales esbeltos que transmiten las cargas a los puntos duros (o de unión) lo cual las hace muy estables y versátiles. A continuación se da una descripción más amplia a cerca de estas arquitecturas. 1.5.2.2.1 Suspensión Pushrod y Pullrod: Ambas suspensiones son muy similares: la rueda se conecta al conjunto muelleamortiguador (y demás componentes de la suspensión como la barra estabilizadora) mediante un único brazo; pero mientras en un caso el brazo está sometido a esfuerzos de tracción (pull: tirar, como un tirante, FIGURA 18), en el otro caso está sometido a esfuerzos de compresión (push: empujar, FIGURA 19). En las siguientes imágenes se puede apreciar las notables similitudes y diferencias.
Figura 18. Suspensión tipo Pull-rod.
(Tomada de www.formulaf1.es/tag/suspension-tirantes, marzo 2011)
Figura 19. Suspensión tipo Push-rod
(Tomada de www.formulaf1.es/tag/suspension-tirantes, marzo 2011)
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1.5.2.2.2 Ventajas Pushrod-Pullrod: Las ventajas de la arquitectura pull-rod sobre la push-rod son un centro de gravedad posiblemente más bajo (debido a que los elementos de la suspensión como muelles, amortiguadores, se encuentran más cerca del suelo) y la posibilidad de construir un brazo de conexión rueda-suspensión más esbelto (puesto que no existe riesgo de pandeo) y, por tanto, el elemento es más aerodinámico. La desventaja más evidente es la mayor dificultad de acceso a los elementos de la suspensión. En el caso del monoplaza Renault RB5 del equipo RedBull de la Fórmula uno, la arquitectura delantera sigue siendo push-rod, obligada por la altura a la que se encuentra la nariz del vehículo respecto al suelo y la trasera es la que ha pasado a ser pull-rod (Emparan, 09). 1.5.3 Parámetros Geométricos involucrados en el Sistema de Suspensión y Dirección 1.5.3.1 Ángulo Camber (o de Caída) El ángulo camber es definido como la inclinación del plano de la rueda respecto a la vertical (Popa, 2005). El camber Negativo se da cuando la parte superior de la rueda se inclina hacia la línea de centro del vehículo, como se ve en la FIGURA 20 y positivo cuando la parte superior de la rueda se aleja de ésta.
Figura 20. Angulo Camber (negativo). (Tomado de Engineer to Win: The essential Guide to Racing Car Materials Technology, Smith, MBI Publishing Company)
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Pequeñas cantidades de camber negativo de más de 1,5 grados se recomienda con el fin de inducir Camber de empuje (Smith, 1984). El ángulo Camber altera las cualidades de manejo de un diseño particular de suspensión, en particular, el camber negativo aumenta la adherencia en las curvas. Esto se debe a que pone a las ruedas en un ángulo más óptimo para el camino, para transmitir las fuerzas a través del plano vertical de la rueda más que a través de una fuerza cortante a través de ella. Otra razón para un camber negativo es que un neumático de goma tiende a deformarse en las curvas. Si el neumático tiene cero camber (FIGURA 21A), cuando el vehículo describa una curva el borde interior de la zona de contacto comenzará a despegar del suelo a la vez que el borde exterior sufrirá una excesiva deformación (FIGURA 21B), reduciendo el área de contacto. Mediante la aplicación de camber negativo (FIGURA 21C), este efecto se reduce, lo que maximiza el área de contacto de la rueda generando mayor agarre del vehículo en curva (FIGURA 21D).
Figura 21. Efecto del ángulo Camber de un Vehículo al describir una curva. (Tomado de http://www.f1aldia.com/foros/formula-1/1/234/gestion-de-neumaticos/)
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Para ilustrar el efecto unos pocos grados de camber sobre la fuerza lateral, se presentan tres Figuras basadas en ensayos en Calspan TIRF de Goodyear Eagle P225/70R15. La rueda fue probada a 35 psi de presión a 60millas por hora bajo condiciones secas. La FIGURA 22a es con camber cero (las curvas son rotuladas en términos de ángulo de dirección en lugar de ángulo de deslizamiento, la dirección de la rueda hacia la derecha es positivo). Ésta Figura indica que la capacidad de la rueda producir fuerza lateral es el mismo hacia la derecha y hacia la izquierda, el comportamiento es altamente simétrico.
Figura 22a. Ensayo de Camber de Goodyear (Tomada de “Race car vehicle dynamics”, Milliken, W. F., & Milliken, D. L.1995)
La FIGURA 22b y 22c fueron obtenidas con camber negativo de 5 y 10 grados respectivamente. En ambos ejemplos las curvas son asimétricas.
28
Figura 22b y 22c. Ensayo de Camber de Goodyear (Tomadas de “Race car vehicle dynamics”, Milliken, W. F., & Milliken, D. L.1995)
Cuando la rueda gira hacia la derecha, la fuerza lateral producida por la rueda derecha es más grande que la producida por la rueda izquierda. Para esas ruedas relativamente anchas, el camber de -5° produce más de ganancia en fuerza lateral. Con excepción de los carros de circuito, es común usar camber negativo. En el pasado con llantas redondeadas y angostas fue común tener camber negativo de valores cercanos a 10°. Con las ruedas modernas radiales anchas, el camber es ajustado a valores cercanos -5°, por razones de temperatura, desgaste y rendimiento (Milliken & Milliken, 1995).
1.5.3.2 Ángulo Cáster (o de Avance) Es el desplazamiento angular entre el eje de dirección y la vertical. Es considerado positivo cuando la parte superior del eje de dirección está inclinado hacia atrás y negativo en el caso contrario (ver FIGURA 23).
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Figura 23. Ángulo Cáster o de Avance
El Cáster positivo induce fuerza de corrección que brinda una línea forzada estable, pero incrementa el esfuerzo en la dirección. El Cáster oscila entre 2° en vehículos de competencia y más de 7 grados en sedan (Smith, 1984). El avance no debe ser exagerado para no endurecer excesivamente la dirección, un ángulo entre 0 y 5° es un compromiso razonable (Publio pintado Sanjuán, 1994). 1.5.3.3 Ángulo King pin (o de Inclinación) Es el ángulo que desde una vista horizontal forma el eje de la dirección con la vertical (ver FIGURA 24). Es usado para reducir la distancia medida en la tierra entre el eje de dirección y el centro de presión de la rueda con el fin de reducir el torque sobre el eje de dirección durante el movimiento hacia adelante (Publio pintado Sanjuán, 1994).
Figura 24. Ángulo Kingpin o de inclinación.
30
1.5.3.4 Convergencia-Divergencia El también conocido como Toe in (convergencia) y Toe out (divergencia) de un par de ruedas representa la diferencia en distancia transversal entre los planos de las ruedas (ver FIGURA 25). Cuando la distancia es más grande en los puntos traseros de las ruedas se dice que hay toe in y en el caso contrario toe out.
Figura 25. Convergencia-divergencia.
La convergencia hacia adelante se monta en ruedas delanteras no motrices para acomodar la elasticidad de los miembros de la dirección en condiciones normales de marcha. Es decir, cuando están sometidas a la carga correspondiente a la resistencia a la rodadura que genera un momento = ´ (ver FIGURA 26).
Figura 26. Momento en la articulación debido a fuerza de resistencia de rodadura y de tracción. (adaptada de “Un curso de automoción.”. Publio pintado Sanjuán, (1994))
En el caso de las ruedas motrices, las fuerzas habituales son en sentido contrario, es decir son fuerzas de tracción en el sentido de la marcha. De manera que en este caso las ruedas se montan con un determinado ángulo de divergencia (Publio pintado Sanjuán, 1994).
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1.5.4 Parámetros Cinemáticos de la suspensión 1.5.4.1 Centro Instantáneo El centro instantáneo de una suspensión es el punto a través del cual una rueda individual rota. Es también el punto a través del cual la fuerza respectiva de la llanta actúa sobre la masa suspendida. El centro instantáneo de un sistema de suspensión doble tijera se localiza en la intersección de la extensión de la línea mas alta y mas baja de las tijeras como se muestra en la FIGURA 27.
Figura 27. Centro Instantáneo y centro de rotación (adaptada de “Un curso de automoción.”. Publio pintado Sanjuán, (1994))
1.5.4.1 Centro de Rotación Es el punto en el plano transversal vertical sobre cualquier par de centros de ruedas (par de ruedas delanteras o par de ruedas traseras) en el cual fuerzas laterales pueden ser aplicadas a la masa suspendida sin producir el giro de la suspensión (FIGURA 27). El centro de rotación se localiza en la intersección de las líneas formadas por el parche de contacto de la rueda y su respectivo centro instantáneo de rotación. La localización del centro de rotación generalmente es distinto adelante y atrás (Publio pintado Sanjuán, 1994).
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1.6 Barras Estabilizadoras: Sirven para aumentar la rigidez al balanceo (vuelco) del cuerpo del vehículo sin comprometer la rigidez vertical de la suspensión (Publio pintado Sanjuán, 1994). Como puede verse en la FIGURA 28, estas barras no están solicitadas cuando el eje atraviesa un bache que afecte a las dos ruedas del mismo tren. Sin embargo cuando el cuerpo del vehículo gira respecto del eje longitudinal, la barra sufre una torsión que se opone a este movimiento, esto es, incrementa la rigidez del vuelco. Se rigidiza este grado de libertad sin comprometer la flexibilidad vertical.
Figura 28. Barra estabilizadora
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2. Diseño Conceptual del Sistema de Suspensión
2.1 Metodología de Diseño: La metodología de diseño adoptada será la metodología de Nigel-Cross, un modelo racional y sistemático, el cual facilita la búsqueda de soluciones potenciales, el trabajo en equipo y la toma de decisiones (Cross, 2005). Esta metodología, sin embargo no representa la única respuesta y debido a que existen diferentes modelos que bajo su estructura lógica involucran otros criterios, se adopta entonces una combinación que complemente los puntos débiles del modelo escogido. Las etapas que resumen la metodología de diseño Nigel-Cross se resumen a continuación: • • •
•
•
Clarificación de objetivos o árbol de objetivos, su finalidad es clarificar los objetivos y los sub-objetivos así como las relaciones entre ellos Establecimiento de funciones o análisis de funciones, establece las funciones requeridas y los límites del sistema de un nuevo diseño Generación de Alternativas o diagrama morfológico, su finalidad es generar la gama completa de alternativas de diseño de un producto y, por lo tanto, ampliar la búsqueda de nuevas soluciones potenciales Evaluación de alternativas, u objetivos ponderados, su finalidad es comparar los valores de utilidad de las alternativas de diseño, con base en la comparación del rendimiento contra los objetivos diferencialmente ponderados Mejora de detalles, o ingeniería del valor, su finalidad es aumentar o mantener el valor de un producto para su comprador reduciendo al mismo tiempo el costo para su productor.
Se escoge como complemento la metodología de Pahl & Beitz, gracias a que considera la retroalimentación en cada una de las etapas de diseño para verificar el cumplimientos de las especificaciones, además de involucrar la viabilidad económica como etapa fundamental del diseño (Pahl & Beitz, 2007). 2.1.1 Clarificación de Objetivos Se lleva a cabo por medio del árbol de objetivos (FIGURA 29) que se muestra a continuación:
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Diseño de Suspensión de un vehículo Tipo formula Sena
Soportar las cargas a las que va a estar sometido el vehículo
Ajustable
Uso de mecanismos de ajuste entre comoponentes
Aerodinámica
Área frontal reducida de los componentes de la suspensión
Acceso rápido a componentes
Optimizacion del espacio ocupado por la suspensión
Componentes escondidos dentro de la carrocería
Liviana
Desmontable
Uso de materiales Livianos
Tamaño optimizado de algunos componentes
Uso de conexiones roscadas o de desacople fácil.
Economica
Materiales economicos
Uso de piezas comerciales
Procesos de produccion cortos
Figura 29. Árbol de objetivos para el diseño de la Suspensión del monoplaza
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2.1.2 Análisis Funcional 2.1.2.1
Caja negra
Se muestra la caja negra (FIGURA 30) y la caja transparente (FIGURA 31) del sistema de suspensión, clasificando las entradas y salidas del sistema como Materia, energía y/o señal.
Cargas
Soportar el Vehículo estática y dinámicamente
Desplazamiento Energía en forma de calor
Figura 30. Caja Negra.
2.1.2.2
Caja Transparente
Figura 31. Caja Transparente.
2.1.3 Generación de Alternativas A partir del análisis Funcional se puede observar que el problema global que fue considerado desde el principio como “Soportar el vehículo estática y Dinámicamente” se ha dividido en subfunciones que juntas cumplen la función global. De esta forma la metodología de diseño permite solucionar el problema
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principal haciéndonos cargo por separado de cada uno de los problemas secundarios. Es importante decir que como se estudió en el numeral 1.5, han existido a través de la historia diferentes tipos de suspensión que han sido utilizadas en vehículos de toda clase. Por supuesto sus componentes y sus diferentes configuraciones han sido diseñados para cumplir cada una de las subfunciones que se muestra en la FIGURA 31. Tomando como referencia a Pahl&Beitz, el diagrama morfológico utiliza la estrategia de subdividir el problema para tratar de encontrar la mejor solución para cada proceso y que ellas en conjunto representen una alternativa de solución coherente y bien estructurada. Sin embargo en este caso se mostrará para describir los mecanismos utilizados por cada tipo de suspensión para cumplir las subfunciones referidas en la caja transparente de la FIGURA 31.
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2.1.3.1 Diagrama Morfológico
Tipo de suspension
Solución Hotchkiss
Solución Mcpherson
Solución Pushrod
Solución Pullrod
Subfunción
Transmitir Energía como fuerza y desplazamiento.
Amplificar fuerza y disminuir desplazamiento
Almacenar Energía
Disipar Energía almacenada
Barra estabilizadora. Estabilizar el vehículo
Sistema auxiliar
ALTERNATIVA S1
Barra estabilizadora
ALTERNATIVA S2
Tabla 1. Diagrama Morfológico.
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Barra estabilizadora
ALTERNATIVA S3
Barra estabilizadora
ALTERNATIVA S4
2.1.4 Selección de Alternativas Como se pudo observar, el diagrama morfológico de la TABLA 1, desglosa en subfunciones o problemas secundarios en problema global. A cada uno de estos problemas secundarios se les encuentra una solución para obtener de esta forma la solución general. Particularmente en este caso se tiene que a cada conjunto de soluciones se le asigna comúnmente un nombre, por el cual son conocidas y distinguidas como tipos de suspensión. 2.1.4.1
Ventajas y desventajas de cada alternativa:
A continuación se muestra el proceso de selección de alternativas, ventajas y desventajas: En primer lugar se tiene que la Suspensión Hotchkiss presenta inconvenientes debido a su elevada inercia lineal y giroscópica del puente que hace las veces de inercia no suspendida. Además, el acoplamiento giroscópico de las ruedas de un eje direccionable puede dar lugar a vibraciones tipo shimy (En el numeral 1.5.1. se da una explicación a cerca de este tipo de vibraciones). Estos ejes, sin embargo permiten grandes niveles de carga y necesitan bajo mantenimiento. La suspensión McPherson tiene como ventajas su simplicidad y bajo costo de fabricación, tiene un problema geométrico, ya que debido a su configuración no es posible que el movimiento de la rueda sea vertical, sino que el ángulo vertical varía algunos grados durante su movimiento. Además transmite el movimiento directamente del asfalto al chasis, lo que provoca ruidos y vibraciones en el habitáculo. Sin embargo es una de las más utilizadas actualmente en automóviles (Milliken & Milliken, 1995). Otra desventaja de este tipo de suspensión particularmente para vehículos de competencia es que la configuración de sus componentes no ofrece ninguna característica aerodinámica, ya que por su disposición necesariamente se deberían montar los resortes y amortiguadores totalmente contraviento lo que genera muchas pérdidas de potencia por la turbulencia que se genera (ver sección 1.5.2.2). La suspensión Push-rod presenta una configuración mas aerodinámica debido a que esconde el sistema de amortiguamiento, mientras que a contraviento solo aparecen miembros esbeltos que conforman la estructura de la suspensión. Esta característica también la tiene la suspensión Pull-rod, donde la rueda se conecta al conjunto muelle-amortiguador (y demás componentes de la suspensión como
39
estabilizadora) mediante un único brazo; pero mientras en un caso el brazo está sometido a esfuerzos de tracción (pull: tirar, como un tirante, FIGURA 18), en el otro caso está sometido a esfuerzos de compresión (push: empujar, FIGURA 19). Si bien como ya se dijo en la sección 1.5.2.2.2 la arquitectura pullrod presenta posiblemente un centro de gravedad más bajo, la desventaja más evidente es la mayor dificultad de acceso a los elementos de la suspensión (FIGURA 18 y 19). Esta desventaja puede hacer la diferencia en una competencia, donde se requiere tener el acceso rápido a los diferentes componentes del vehículo. 2.1.4.2 Carta de Selección La carta de selección se presenta como un método para evaluar cada una de las alternativas al responder preguntas concretas que viabilizan o no cada una de estas opciones. En la TABLA 2 se muestra que la única alternativa que responde positivamente a cada pregunta es la alternativa S3, es decir la SUSPENSIÓN PUHSROD.
Tabla 2. Carta de selección.
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2.1.4.3
Método de los Objetivos Ponderados:
La carta de selección no es la única estrategia para determinar qué alternativa es la más adecuada para la solución de un problema general, Nigel Cross considera el método de objetivos ponderados para la selección de alternativas (Cross, 2005). Este método es muy diferente del de Pahl & Beitz debido a que, para la carta de selección solo importa si la alternativa cumple o no con las especificaciones, sin tener en cuenta cuál de ellas lo hace de una forma más efectiva. Como la última alternativa fue descartada por criterio del diseñador y no por una restricción propia del sistema es importante aplicar otro método para respaldar o cambiar la decisión de trabajar con el segundo camino, al evaluar las soluciones bajo otro punto de vista. El árbol de objetivos puede ser usado para proveer de una forma confiable para la asignación de pesos para cada uno de los objetivos. El procedimiento determina que el más alto nivel posea un porcentaje equivalente al 100% y luego por subniveles sean asignados porcentajes en importancia a un mismo nivel, para luego encontrar los ponderados. En la TABLA 3 cada alternativa se evalúa según los objetivos planteados anteriormente y se pondera. Luego se obtienen las puntuaciones correspondientes para cada alternativa se selecciona la mejor.
OBJETIVOS Soportar las cargas a las que va a estar sometido el vehículo Utilizacion de mecanismos de ajuste entre componentes Área mínima frontal en los componentes de la suspension Componentes escondidos dentro de la carrocería Acceso rápido a Componentes Espacio optimizado para componentes de la suspensión Uso de materiales livianos Tamaño optimizado de algunos componentes
PESO HOTCHKISS
MC PUSHROD PULLROD PHERSON
0.2
10
10
10
10
0.1
6
8
10
10
0,1
3
3
7
7
0,1
3
5
7
7
0,1
6
4
9
8
0,05
4
7
7
6
0,05
5
5
6
6
0,05
7
8
7
7
41
Conexiónes roscadas o de fácil desacople Materiales económicos Uso de piezas comerciales Procesos de producción cortos TOTAL PONDERADO
0,1
1
2
8
8
0,05 0,05
5 8
5 9
5 5
5 5
0,05
6
7
9
9
1
5,65
6,25
8,05
7,9
Tabla 3. Tabla de Objetivos Ponderados.
Como se puede observar nuevamente se demuestra que la Alternativa de la SUSPENSIÓN TIPO PUSHROD es la mejor solución al problema bajo las condiciones planteadas al principio de este capítulo. 2.1.5 Descripción de la Alternativa A continuación se muestra una descripción esquemática de la alternativa seleccionada. La TABLA 4, relaciona los principales componentes de este tipo de suspensión con sus funciones y especificaciones dadas por la organización.
Figura 32. Esquema de la Suspensión Pushrod.
42
Numero
Nombre
Características
1
Tijera inferior
No tiene ninguna especificación
2
Tijera superior
No tiene ninguna especificación
3
Pushrod
No tiene ninguna especificación
4
Balancín (amortiguadorpushrod)
5
Resorte
Es entregada por la organización
6
Amortiguador
Es entregada por la organización
7
Rótulas
8
Porta masa (portamangueta)
No tiene ninguna especificación
Su uso es aconsejado en por la organización
Es entregada por la organización
Funciones Permiten articular el movimiento vertical de las Ruedas, además que hacen parte del soporte del porta masa. Permiten articular el movimiento vertical de las Ruedas, además que hacen parte del soporte del porta masa. Es la barra encargada de transmitir las cargas estáticas y dinámicas del vehículo al resorte y amortiguador por medio del balancín. Es el elemento que transmite el movimiento de la barra pushrod al amortiguador y resorte, pivotado en el chasis. Es el componente encargado de absorber las cargas y almacenarlas. Es el componente encargado de disipar la energía absorbida por el resorte, transformándola en calor liberada al ambiente Se utilizan en la conexión de todos los elementos de la suspensión, facilitan la transmisión de las cargas y proporciona tolerancia a los movimientos de la suspensión Soporta la rueda del vehículo y la conecta con los brazos (tijeras) de la suspensión.
Tabla 4. Descripción de los principales componentes de la suspensión push-rod.
43
3. Diseño para dar Forma 3.1 Metodología de Diseño para dar Forma Debido a que no siempre es posible trazar un plan estricto para la fase de diseño de detalle o de dar forma, Pahl&Beitz sugiere una aproximación general con los principales pasos de trabajo (FIGURA 33).
Figura 33. Pasos del diseño para dar forma según Pahl&Beitz
44
Básicamente el proceso procede desde lo cualitativo a lo cuantitativo, desde lo abstracto hasta lo concreto, desde el diseño tosco al diseño detallado (Pahl&Beitz, 2007). Este capítulo seguirá esta metodología con el fin de alcanzar los objetivos propuestos de una forma más efectiva.
3.1.1 Identificación de los Requerimientos del diseño para dar forma Para el diseño de la suspensión del vehículo se tiene en primer lugar las restricciones dadas por la organización y consignadas en el reglamento del concurso3. Existen restricciones que nombran específicamente las reglas para el diseño de la suspensión del vehículo y otras que aunque no son directas se deben tener en cuenta en el diseño. 3.1.1.1 Restricciones Directas dadas por el reglamento 1
2
3 4 5 6 7
(7.1 en el reglamento1) el vehículo deberá presentar una suspensión que permita un movimiento relativo entre las ruedas y el chasis de mínimo 1 pulgada (25,4mm). (7.2 en el reglamento) La parte exterior de la suspensión (portamanguetas, manguetas, manzana, rodamientos, etc.) Será suministrada por la organización. (7.3 en el reglamento) La suspensión debe ser doble tijera (superior e inferior). (7.4 en el reglamento) La geometría de la suspensión y el método de accionamiento y posición de los amortiguadores es libre. (7.5 en el reglamento) El anclaje de las tijeras de suspensión al chásis deberá realizarse mediante esferas (rótulas). (7.6 en el reglamento) Los resortes y amortiguadores son libres (7.7 en el reglamento) La altura mínima del suelo es de 5cm.
3.1.1.2 Restricciones Indirectas dadas por el reglamento 1. (1.1 en el reglamento) El vehículo debe tener 4 ruedas, dos adelante, dos atrás. 2. (1.1.1 en el reglamento) La línea que une los dos parches de contacto de las ruedas delanteras debe tener un ángulo de 90° con el plano de simetría del vehículo. 3
Ver Anexo: Reglamento técnico Formula Sena 2010
45
3. (1.1.2 en el reglamento) La línea que une los dos parches de contacto de las ruedas traseras debe tener un ángulo de 90° con el plano de simetría del vehículo. 4. (1.2 en el reglamento) La distancia entre ejes mínima es de 2 metros. 5. (1.3 en el reglamento) El ancho máximo del vehículo es de 2 metros. 6. (1.7 en el reglamento) Se recomienda el uso de tornillería DIN grado 8 o su equivalente SAE grado 5. 7. (5.1 en el reglamento) Las llantas serán entregadas por la organización, estas serán llantas de calle, con labrado de alto desempeño. 8. (5.2 en el reglamento) Los rines serán entregados por la organización y tendrán un diámetro de 14”.
3.1.2 Producir dibujos a escala de las restricciones espaciales Se elabora un primer boceto (ver FIGURA 34) donde se muestran las medidas espaciales de la suspensión. Como resultado de las discusiones con los demás sub-equipos de la escudería (chasis, aerodinámica, motriz…) se acordó diseñar un vehículo lo más ancho posible para mejorar su estabilidad estable pero sin infringir la norma de 2 metros entre caras exteriores de las ruedas según el reglamento. Por lo tanto, se definió una distancia entre el disco de freno y la articulación de las tijeras de 775mm, y un ancho entre puntos de anclaje de aproximadamente 450mm. La separación entre tijeras superior e inferior de una misma rueda en esta etapa fue arbitraria. De esta forma el vehículo tendría una trocha4 muy próxima a los 1,9m.
4
La trocha, vía de un eje, o ancho de vía, es la distancia que hay entre los centros de las áreas de apoyo con el suelo de los neumáticos de un mismo eje.
46
Figura 34. Primer boceto de la Suspensión
3.1.3 Análisis de Diseño En la vista frontal de la FIGURA 35, se pueden observar algunos problemas de diseño: La conexión del portamasas con la tijera superior (detalle A) no es conveniente debido a que la barra que se señala es muy larga y estará sometida a un gran esfuerzo a flexión. En el mejor de los casos la barra resiste pero el portamasas debido a la geometría que presenta y al material en el que está hecho (fundición de aluminio) no ofrece ninguna garantía; este tipo de montaje se debe descartar. La conexión de la barra pushrod (detalle B) se debe diseñar de tal forma que distribuya el esfuerzo debida a la compresión sobre la tijera inferior. Se buscó acercar más esta conexión al portamasas para no generar exceso de flexión sobre la tijera inferior. Otro inconveniente que es muy importante es que la suspensión debe ofrecer la posibilidad de giro de la rueda (adelante y atrás), adelante debido a la dirección del vehículo y atrás para ajustar la convergencia y la divergencia de las llantas (detalle C). En el detalle D señala el amortiguador (amortiguador-resorte); a partir de recomendaciones realizadas por el equipo se sugirió ubicar el amortiguador horizontalmente con el fin de ofrecer una mayor disposición de espacio en 47
esta parte del chasis donde se podrían ubicar mejor elementos como la pedalera, bombas de frenos, batería, etc. Esta nueva idea se presenta en la vista superior de la FIGURA 36.
Figura 35. Vista frontal primer boceto de la Suspensión
Figura 36. Vista Superior boceto modificado de la Suspensión
3.1.4 Ángulos importantes y sistemas de ajuste Como se estudió en la sección 1.5.3 de este trabajo, existen parámetros geométricos involucrados en la suspensión, que mejoran el rendimiento del vehículo bajo distintas condiciones.
48
3.1.4.1
Valor Del Angulo Cáster
Para definir este ángulo se recurrió a las recomendaciones de la literatura citadas en la sección 1.5.3.2. y se definió este valor como 5° bajo un criterio conservador. 3.1.4.2
Valor del Angulo Cámber
Para definir este ángulo se recurrió a las recomendaciones de la literatura citadas en la sección 1.5.3.1. Para ser aún más versátil el sistema de suspensión, se decide hacer un mecanismo que permita ajustar este parámetro en el vehículo. Sin embargo se debe tener en cuenta que este ajuste se debe hacer muy rápido y fácil para permitir modificaciones entre pruebas en la competencia. 3.1.4.3
Valor del Angulo de convergencia
El montaje de la suspensión debe permitir el ajuste (de unos pocos grados) de la convergencia de las ruedas. Se debe diseñar un sistema ajustable para este parámetro.
3.1.5 Rediseño de la suspensión 3.1.5.1
Suspensión delantera
Con el fin de mejorar el desepeño del sistema de suspensión se realizó el rediseño de la suspensión delantera como se muestra en la FIGURA 37. En esta Figura se observan varios detalles discriminados por color.
49
Figura 37. Rediseño de la Suspensión delantera
3.1.5.1.1
Anclaje articulado por rótulas (detalle en verde)
Surge a partir de la recomendación dada por el reglamento sobre la utilización de rótulas (esferas) en los anclajes de la suspensión con el fin de ofrecer el movimiento vertical de las tijeras para el funcionamiento de la suspensión y además para permitir el ajuste de la suspensión para su alineación. Las rótulas utilizadas fueron rótulas comerciales (ver FIGURA 38) marca IKO con vástago roscado de M12 y paso de 1.75.
Figura 38. Rótula POS-12AX1,75 Marca IKO
50
Para el uso de estas rótulas en las tijeras de la suspensión se realizó el montaje que muestra la FIGURA 39. Como se puede observar se fabricó un “taco” en acero que se introdujo en caliente en la tubería para formar una junta mecánica por expansión térmica. La rótula se roscó dentro de este taco y se utilizó una tuerca para su fijación y para disminuir los esfuerzos por cortante. Posteriormente se soldó el anillo del taco al tubo por proceso de TIG.
Figura 39. Montaje de rótulas en las tijeras de la suspensión
3.1.5.1.2. Sistema de ajuste de camber (detalle en rojo) Este sistema surgió de la necesidad de poder ajustar el cámber fácil y rápidamente entre pruebas en la competencia. Se compone de una rótula reglamentaria que se enrosca en el vástago de un tornillo que gira libremente dentro de un buje que hace parte de la tijera superior. Como se ve en el montaje de la FIGURA 40, se utiliza una tuerca para fijar la rótula pero a su vez al desenroscarla garantiza un ajuste fácil del sistema de camber.
Figura 40. Montaje de sistema de ajuste de camber.
3.1.5.1.3. Conexión portamasas-tijera inferior (detalle en azul)
51
Figura 41. Montaje conexión Portamasas-Tijera Inferior.
Esta conexión se diseñó con el fin de garantizar los siguientes movimientos independientes y/o simultáneos de la rueda: -Rotación del portamasas (es decir de la rueda desde una vista de planta del vehiculo) con el fin de ofrecerle dirección al vehículo. -Movimiento vertical, debida a las cargas estáticas y dinámicas sobre la suspensión. Este tipo de conexión se tomó de la utilizada por un Renault 9. La pieza azul que se muestra en la FIGURA 42 es una “esfera” original de la suspension delantera de este tipo de vehículos. Estas rótulas permiten que el vastago realice un movimiento de barrido aproximadamente semiesférico y a la vez pueda girar sobre si mismo gracias a la articulación esférica que presenta.
Figura 42.Esfera de Renault 9.
Debido a la geometría del portamasas entregado por la organización se diseñó un elemento de conexión entre esta pieza y la esfera de la FIGURA 42. La pieza de conexión se muestra a continuación en la FIGURA 43. En las secciones posteriores se mostrará la validación computacional de esta pieza sometida a
52
cargas dinámicas. Cabe decir que esta pieza esta fija y forma una sola componente con el portamasas.
Figura 43.Pieza de conexión.
3.1.5.1.4. Balancin (detalle en anaranjado) La geometría tan particular de esta pieza (ver FIGURA 44) fue el resultado de validaciones computacionales que permitieron obtener el máximo rendimiento de la pieza bajo los esfuerzos críticos a los que va a estar sometida con el menor peso posible.
Figura 44.Balancín.
3.1.5.1.5. Sistema de ajuste en la Barra Pushrod La barra pushrod presenta la particularidad de que se puede alargar o acortar al girarla sobre su eje de simetría (ver FIGURA 45). Esto es gracias a que presenta una rotula de rosca derecha en un extremo y una izquierda en el otro.
Figura 45.Ajuste de barra pushrod.
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La ventaja de este mecanismo es la posibilidad de ajustar la altura del vehículo fácilmente entre pruebas en la competencia, tan solo con girar la barra pushrod. Aunque en la FIGURA 45 no se muestra, cada rótula se ajusta con una tuerca para fijar la longitud de la pushrod luego de ajustarla.
3.1.6 Análisis dinámico y Validación por elementos finitos En primer lugar se definieron las fuerzas generales a las que va a estar sometida la suspensión: Peso aproximado del Vehículo (Masa Suspendida): 6000N con piloto a bordo. Distribución del peso: 60% atrás y 40% adelante aproximadamente. Cargas Aerodinámicas: 1320N adelante y 2050N atrás aproximadamente a 180km/h. (este dato fue suministrado por el equipo de aerodinámica de la escudería) Se analizaron 4 casos críticos en el movimiento del vehículo: -Obstáculo en el camino (TORO RESTREPO, 2006) -Vehículo a alta velocidad -Vehículo en curva -Aceleración o Desaceleración. A continuación se muestra el análisis para cada uno de estos casos:
3.1.6.1.1
Obstáculo en el camino:
Para analizar este caso se asume que el vehículo entrará al obstáculo con una velocidad máxima de 50km/h. Igualmente se toma una altura del resalto de 20cm. Se aproximará la forma del resalto a un triángulo como se muestra en la FIGURA 46 con el fin de facilitar los cálculos. También se supondrá que la superficie de la rueda mantendrá contacto en todo momento con la superficie del resalto. Para un mayor análisis de este caso y de las razones de las suposiciones hechas consultar la referencia que aparece en la FIGURA 46.
54
Figura 46.Modelo Caso: Obstáculo en el Camino (Tomada de: “Diseño de un vehículo de Competición bajo los reglamentos de la formula SAE”, Mauricio Toro Restrepo, EAFIT, 2006)
Consideraciones: α=30° h=20cm V=50km/h Cálculos: 1000 1ℎ
× × = 13.88 ℎ 1 3600
30°= → = × 30°= 8.01 Finalmente se halla la aceleración en Y generada en el resalto
= 50
= ! + 2 × ℎ
! = 0
8.01
→ = = 160.4 2ℎ 2 × 0.2 A continuación se halla la fuerza debida al obstáculo. Como se dijo anteriormente la masa del vehículo se reparte en una relación de 60-40. Debido a esto se usará como fuerza el 20% del vehículo en cada llanta. %&!'(! = 0.2 ()(!& ×
%&!'(! = 0.2 × 600 × 160.4 = 19248+ Y como cada llanta tiene dos tijeras, entonces la fuerza que recibirá será de 9624N.
=
Resultados: Aceleración vertical debida al resalto de 160.4m/seg^2.
55
Fuerza vertical debida a resalto en cada llanta: 19248N En cada tijera la Fuerza de impacto es: 9624N Análisis por medio de Simulation® de Solidworks®: Se utiliza entonces tubería estructural comercial ASTM A-500 grado C de ¾” de diámetro interior y 2,5mm de espesor. Sus propiedades mecánicas se muestran a continuación:
Tabla 5.Características Físicas y Mecánicas de la Tubería de las Tijeras. (Información tomada de catalogo virtual de Ferrasa, www.ferrasa.com,2011)
Para realizar el análisis por elementos finitos se simplificó la estructura como se muestra en la FIGURA 47. En el modelo se pusieron restricciones tipo “Bisagra” en las conexiones de la barra pushrod y de la tijera inferior. También se le aplica una fuerza vertical a la tijera inferior en la conexión con el portamasas, para simular el efecto de la carga generada por el resalto. La tijera superior no fue tenida en cuenta en el modelo ya que en realidad ésta tijera se mueve en conjunto con todo el sistema pero no está directamente involucrada con el soporte de la carga (en este primer caso de obstáculo en el camino). Todo el análisis fue estático y se utilizo un tamaño de malla automático generado por el software. El programa muestra la distribución del Factor de seguridad en la estructura mediante una convención de colores, en este caso la escala de colores va desde el rojo para factores de seguridad de 0,28 hasta el azul que indica factores de seguridad de 5 o mayores.
56
Figura 47.Analisis por MEF, caso obstáculo en el camino
Como se puede observar el esfuerzo sobre la tubería es tolerable (factor de seguridad mayor a 2 en gran parte de la estructura según la escala de colores de la derecha), el esfuerzo critico se presenta aproximadamente en la conexión de la pushrod con la tijera inferior (tonalidad naranja), con un factor de seguridad mínimo de 1,3 de acuerdo a la leyenda generada por Simulation®. Más adelante se mostrará que esta conexión fue reforzada por seguridad.
3.1.6.1.2
Vehículo a Alta Velocidad:
Como se definió antes a una velocidad máxima de 180Km/h las cargas aerodinámicas (1320N adelante y 2050N atrás) juegan un papel importantísimo en la fuerza vertical que soporta la suspensión. El peso muerto del vehículo se estimó en 6000N. Carga total=Peso vehículo+Cargas Aerodinámicas=6000N+2050+1320N=9370N Es decir que la carga sobre una rueda es de 9370N/4=2342,5N Si se compara este caso del vehículo a alta velocidad con el caso anterior del resalto, la fuerza de 2342,5N representa menos de la cuarta parte de la fuerza vertical generada (93624N) en el resalto sobre cada rueda, por lo tanto se puede afirmar que la estructura según el modelo utilizado soportará este caso crítico. 57
3.1.6.1.3
Vehículo en Curva:
Según información suministrada por la organización, el radio de curvatura mínimo en la pista de Tocancipá (Cundinamarca) es de 10metros. Con esta información y suponiendo una velocidad máxima a la entrada de la curva de 50Km/h (como en el caso de obstáculo en el camino), se calcularon las cargas sobre el sistema de suspensión del vehículo como: Carga Total Vertical=Peso del vehículo+cargas aerodinámicas=9370N Carga lateral por aceleración centrípeta: Para el cálculo de esta fuerza se toma el modelo convencional mostrado en la FIGURA 48 y por medio de la ecuación [1] se calcula la fuerza lateral sobre el vehículo.
Figura 48. Modelo Caso: vehículo en Curva (Adaptada de http://www.revista.dominicas.org/automovil.htm)
,-'(./0-(! = ,-'(./0-(!
12 .
[1]
13,88 8 = 18074,84+ = 3937 5 10 6
Asumiendo que todas las ruedas soportarán la misma carga lateral entonces la carga sobre cada una de ellas debida a la fuerza centrípeta es 18074,84/4=4518,71N. Con esta carga lateral y tomando toda la carga total vertical sobre una de las ruedas como situación crítica se realizó el análisis por medio del software Simulation® de solidworks como se muestra en la FIGURA 49 Al igual que el 58
modelo del resalto se pusieron restricciones tipo “Bisagra” en las conexiones de la barra pushrod y de la tijera inferior. Se le aplica una fuerza vertical de 9370N y una horizontal de 4518,71N a la tijera inferior en la conexión con el portamasas, para simular el efecto de la carga generada por el peso del vehículo, las cargas aerodinámicas y la fuerza centrípeta. Todo el análisis fue estático y se utilizó un tamaño de malla automático generado por el software. El programa muestra la distribución del Factor de seguridad en la estructura mediante una convención de colores, en este caso la escala de colores va desde el rojo para factores de seguridad de 0,28 hasta el azul que indica factores de seguridad de 5 o mayores.
Análisis por medio de Simulation® de Solidworks®:
Figura 49.Analisis por MEF, caso Vehículo en Curva
Como se puede observar nuevamente el esfuerzo sobre la tubería es tolerable (factor de seguridad mayor a 2 en gran parte de la estructura según la escala de colores), el esfuerzo critico se presenta también en la conexión de la pushrod con la tijera inferior (tonalidad naranja), con un factor de seguridad mínimo de 1,2 de acuerdo a la leyenda generada por Simulation®.
59
3.1.6.1.4
Aceleración o desaceleración del vehículo:
Para este caso se tuvo en cuenta un fenómeno que ocurre llamado transferencia de masa, que se da debido al cambio de momentum de un cuerpo. Se partió del modelo mostrado en la siguiente Figura (Milliken & Milliken, 1995).
Figura 50.Esquema transferencia de Masa (Adaptado de Race Car vehicle Dynamics. Milliken, W. F. & Milliken, D. L. ,1995).
Carga Total Vertical=Peso Del Vehículo+Transferencia de Masa Longitudinal La transferencia de masa longitudinal se calcula haciendo un equilibrio de momentos respecto al punto “O” de la FIGURA 50 por lo tanto:
∆:;. < = ℎ. :. = → ∆:; = Donde:
>.?.@A
[2]
&
∆:;: Es el incremento de carga en las ruedas traseras (o la disminución en las delanteras) debidas al cambio de momentum del vehículo al acelerarse. El fenómeno es inverso cuando el vehículo se desacelera.
= : Aceleración (o desaceleración) del vehículo. <: Longitud entre las ruedas.
:: Masa del vehículo (Peso muerto en kg)
ℎ: Altura del centro de masa medida desde el piso. 60
EN ACELERACION: Si el vehículo va de 0 a 100km/h en 6 segundos (valor de referencia en vehículos de calle), Ax=4,63m/s^2, por lo tanto reemplazando en la ecuación [2] se tiene: ∆:; =
EN DESACELERACION ( a 1G):
0.5 4,63 3600 5 C D = 534+ 2.6
Según expertos de automovilismo se busca que el carro al frenar (desacelerar) lo haga a 1G (1 aceleración de gravedad), luego tomando este valor como referencia y reemplazando en la ecuación [2] se tiene: ∆:; =
0.5 9,81 3600 5 C D = 1132+ 2.6
Como se puede observar la frenada es más crítica que la aceleración. Por lo tanto la carga total será el peso del vehículo mas la transferencia de masa obtenida en este último caso. CARGA TOTAL VERTICAL=6000N+1132N=7132N Si se comparara esta fuerza obtenida con los valores usados para modelar el primer caso (Obstáculo o resalto en el camino), se observa que este valor es menor (7132N <9624N), por lo tanto como las fuerzas aplicadas en el modelo son menores y las condiciones de borde se mantienen se espera que el comportamiento del modelo se mantenga y por lo tanto no se presente falla en la estructura.
3.1.6.2 Validación por MEF de los Balancines (Trasero y Delantero) En este caso se realizó un análisis cinético de la estructura de la suspensión. Tomando como referencia el valor obtenido para el caso “Obstáculo en el camino”, se pudo encontrar el valor crítico de carga (9624N) que deberá soportar la estructura de la suspensión como se indica en la FIGURA 51.
61
Figura 51. Vista Frontal esquemática de la suspensión
Se hace un corte parcial para encontrar las fuerzas por equilibrio de fuerzas como se ve en la FIGURA 52.
23°
Figura 52. Diagrama de Cuerpo Libre Suspensión
∑ F = 0 → 9624 G 23° = 0 → = 24630,74+ ∑ = 0 → I23° G J = 0 → J = 22672,72+
[3] [4]
Por lo tanto la Fuerza transmitida al balancín es de 24630,74N. La FIGURA 53 muestra la validación por Simulation®. Para este análisis se tomaron restricciones tipo “pasador” en el agujero pivote (de mayor diámetro) y en el agujero del extremo más largo. Sobre el otro agujero se aplicó la fuerza paralela (flechas en color morado) del extremo largo como se ve en la FIGURA 53. Todo el análisis fue estático y se utilizo un tamaño de malla automático generado por el software.
62
El programa muestra la distribución del Factor de seguridad del componente mediante una convención de colores: desde el rojo para factores de seguridad de 0,37 hasta el azul que indica factores de seguridad de 5 o mayores. Como se muestra en la leyenda, el factor de seguridad mínimo es de 1,1 y su ubicación se señala en la imagen (agujero de conexión con la barra pushrod).
Figura 53. Validación por MEF del balancín (factor de seguridad)
Cabe resaltar que si bien desde el diseño inicial del balancín fabricado en un acero al carbono AISI 1045 se verificó que soportaría esta fuerza, se realizó una optimización de su geometría para reducir el peso del componente (se puede observar una cavidad a ambos lados de su extremo más largo y bordes redondeados). El plano con las dimensiones finales se puede ver consultar en el anexo B de este documento. La FIGURA 54 muestra la deformación del componente (en una escala de 44,04:1) sometido a la fuerza calculada. La distribución de esfuerzos de von mises se muestran en escala de colores. Nuevamente se observa que los mayores esfuerzos se presentan en la conexión con la barra pushrod (Tonalidad en rojo).
63
Figura 54. Validación por MEF del balancín (Von Mises)
3.1.7 Verificación de las frecuencias Naturales del sistema De la literatura y en particular en el Capítulo 16 del Racer Car Dynamics,Miliken (Milliken & Milliken, 1995) se recomienda para vehículos con diseños aerodinámicos y de alta competencia un rango de frecuencias naturales de 3.0 a 5.0 hertz. Acogiendo esa recomendación se calcula la frecuencia natural para el sistema de suspensión diseñado. Se sabe que: :=
K
30/5
N(
∗ MO
[5]
Ahora se tiene que P = P ∗ Q
[6]
VM: Ventaja Mecanica
Q = R< IS ∗ QTℎU
[7]
Asi se tendría que:
64
:=
K
30/5
∗M
N.-V).(-∗1WX!&!'Y/'∗1W0ZV>.)[ O
(4)
El valor de la constante P se obtuvo por medio de una relación geométrica de desplazamiento que depende directamente del ángulo formado por la barra pushrod y la tijera inferior. El valor de esta constante para la tijera delantera fue de 1. Además se conoce la VM del balancín que es
K
, así sustituyendo en la ,\] ,\] ecuación 3 se tiene que el valor de la VM de la pushrod es K La masa total para el cálculo será la masa estática mas la masa dinámica (cargas aerodinámicas), teniendo así:
= 600Kg` + 320Kg`
= 920Kg`
Dividiendo este valor en cuatro se tiene que cada una de las ruedas sostiene 230 [Kgf] o 566 lbf Suspensión delantera Kresorteadelante = 600 [lb/pulgada] Ahora se reemplaza en la ecuación 1 de la siguiente manera: a=
1 600
a = 3,4082[hi]
Con este resultado se encuentra que se está en el rango correcto de las frecuencias naturales ya que es menor que 5. Suspensión trasera
Kresortetrasera = 500 [lb/pulgada]
65
El balancín trasero tiene una VMbalancin de tendríamos que Vmpushrod de
,\]
K
K,k
y como la barra pushrod no varía
K Ahora se reemplaza en la ecuación 1 de la siguiente manera:
1 a= ∗l 2pi
500lb/fT< ∗ 12pulg/fS ∗ 2,45 1,9 566
a = 3,5331[hi]
Con este resultado se encuentra que se está en el rango correcto de las frecuencias naturales ya que es menor que 5. Con el análisis anterior se comprueba que los valores están de acuerdo a lo recomendado y por tanto se verifica el correcto diseño de la suspension.
66
4.
Proceso de Construcción
La etapa anterior de diseño del sistema de suspensión dio como resultado los planos para la construcción del sistema de suspensión del vehículo. Estos se muestran en el Anexo B. El objetivo ahora es materializar los diseños realizados. Para esto se debe tener en cuenta que como se vio en los capítulos anteriores, la geometría propia del sistema de suspensión, es decir ángulos, distancias etc, ha sido obtenida luego de un largo proceso de análisis, por lo cual es imprescindible manejar precisiones en la construcción que garanticen un mínimo de diferencia entre lo diseñado y lo fabricado. En el proceso de construcción de la suspensión, en primer lugar se procedió a fabricar las tijeras (superiores en inferiores); a la par se maquinaron las piezas que requerían de este proceso, mientras por otro lado se conseguían los elementos de la suspensión que eran comerciales.
4.1 Fabricación de las Tijeras Para la construcción de las tijeras superiores e inferiores, se fabricaron primero Matrices con el fin de garantizar las longitudes y los ángulos entre los miembros que las componen. Estas matrices consisten en placas de lámina sobre las cuales se anclaron con tornillos perfiles angulares con la geometría de las tijeras, como se muestra en la FIGURA 55. La tubería se sujeto mediante el uso de “hombresolos” y luego de aplicar soldadura se espero a que se enfriara la junta antes de retirarlos con el fin de prevenir deformaciones en la estructura por deformaciones térmicas.
Figura 55. Matriz para construcción de tijera
67
Se construyen en total 4 matrices, dos para las tijeras superiores e inferiores delanteras y dos para las superiores e inferiores traseras. Estas matrices se fabricaron de tal forma que se pudieran anclar todas a una sola mesa y poderlas intercambiar dependiendo de la tijera que se quisiera construir (ver FIGURA 56).
Figura 56. Tijeras y mesa de sujeción de las matrices.
4.2 Elementos comerciales y anclaje Como se indicó en los capítulos anteriores los anclajes se realizaron mediante rótulas y esferas comerciales como se muestra en la FIGURA 57.
Figura 57. Anclaje por rotulas comerciales
4.3 Ajuste y Puesta a punto del sistema de Suspensión Como siempre en cualquier proyecto se busca que lo planeado sea igual a lo construido sin embargo esto es muy difícil de conseguir, lo que se trata entonces es de minimizar esa diferencia y hacer ajustes de tal forma que se tenga la funcionalidad requerida.
68
Particularmente, el proceso de diseño y seguimiento de la construcción permitió obtener buenos resultados durante la puesta a punto por lo que los ajustes realizados no fueron significativos y la suspensión del vehículo finalmente cumplió con los objetivos y requerimientos técnicos señalados desde su diseño (ver FIGURA 58).
Figura 58. Imagen de la Suspensión Delantera construida
Para la puesta a punto del vehiculo se realizaron ajustes en taller (ver FIGURA 59) y en pista(ver FIGURA 60). Los ajustes se realizaron principalmente a los angulos de la suspension para alinear el vehiculo (caster, camber) y a la extension de los brazos pushrod y de direccion para ajustar altura y convergencia del vehiculo respectivamente.
Figura 59. Ajustes de la suspensión en Taller
69
Figura 60. Ajustes previos a una de las carreras
4.4 Algunas Imágenes Formula Sena: Valida tocancipá
Figura 61. Imágenes Formula SENA Tocancipá 70
5. Conclusiones:
El sistema de Suspensión es el sistema más crítico de un vehículo, ya que conecta la masa suspendida con la No suspendida; esto por supuesto genera que el sistema sea diseñado para soportar en primer lugar las cargas estáticas y en segundo lugar las cargas dinámicas que eventualmente se generen en el vehículo durante la competencia. En el diseño de suspensiones de vehículos de competencia existen retos adicionales como el flujo del aire a través de su estructura, o el aumento de las cargas debido a los diseños aerodinámicos del vehículo. La Suspensión Tipo Pushrod fue seleccionada para el monoplaza de la regional Antioquia, teniendo en cuenta que su diseño estructural ofrecía mejores ventajas aerodinámicas que otro tipo de suspensiones y que el grado de accesibilidad a sus componentes es mayor, condición que eventualmente haría la diferencia en competencia. La suspensión fue diseñada de tal forma que los ángulos propios de su geometría fueran ajustados fácilmente, teniendo la posibilidad de configurar el vehículo según el comportamiento del vehículo en pista y de las condiciones de la carrera. Mantener las ruedas del vehículo en todo momento “pegadas” al piso es el principal reto que se debe alcanzar con el diseño de la suspensión del vehículo de competencia, para aprovechar al máximo la potencia del motor. Es así como el sistema de suspensión debe trabajar a la par con todos los sistemas, pero particularmente con el sistema de transmisión y aerodinámico del vehículo. La Formula SENA es sin duda un proyecto de mucho aprendizaje e integración de academias, donde se demuestra que el esfuerzo conjunto entre estudiantes, y el apoyo de personas a través entidades y empresas da como resultado productos de gran impacto que aportan en este caso al desarrollo de la industria automotriz en el país.
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6.
Bibliografía
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