UNIVERSIDAD AUTÓNOMA ESPAÑA

DE DURANGO

INGENIERÍA MECÁNICA

PROYECTO INTEGRADO

QUINTO CUATRIMESTRE

DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN CHASIS AUTOMOTRIZ

MEDIANTE EL SOFTWARE SOLIDWORKS

CANALES RIVERA JOSÉ AARÓN GARCÍA ARMENDÁRIZ HÉCTOR

GONZÁLEZ NEVÁREZ PEDRO ANIBAL MARTÍNEZ LUNA IVÁN DE JESÚS

MORALES SÁNCHEZ ANTONIO DE JESÚS MUÑOZ VALENCIA EDGAR

ROCHA BATRES JESÚS ALBERTO SERRANO HEREDIA YERED ISAAC

ASESOR: M.P. DUSTIN A. MUÑOZ B.

Victoria de Durango, Dgo., Julio de 2015

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

JUSTIFICACIÓN

OBJETIVO GENERAL

OBJETIVOS ESPECIFICOS

ALCANCES

LIMITACIONES

MARCO TEÓRICO

El chasis

Historia del chasis

Tipos de chasis en la actualidad

El chasis en los automóviles de competición

Chasis en la fórmula SAE

Programas de diseño 3D

ANÁLISIS Y EVIDENCIAS

Estudio de Accidente de Ayrton Senna (1994)

Estudio de accidente de Sergio Pérez (2011)

CONCLUSIÓN

BIBLIOGRAFÍA

FUENTES

INTRODUCCIÓN

En la actualidad el ingeniero mecánico debe ser capaz de desenvolverse de

forma adecuada en las distintas ramas en las que puede ejercer su trabajo, por

consiguiente los alumnos de ingeniería mecánica de quinto cuatrimestre de la

Universidad España Autónoma de Durango, se han dado a la tarea de realizar un

proyecto integrado, denominado “Diseño y Simulación de un Chasis Automotriz

Mediante el Software SolidWorks”.

Es de suma importancia para el ingeniero en desarrollo generar unas bases

solidas de conocimiento en todos los aspectos. El área de diseño y manufactura

computarizada, es algo que puede llevar al ingeniero a estar a la vanguardia en la

actualidad, logrando con esto, tener las habilidades y destrezas necesarias para

poder ser competentes en el área laboral.

La tecnología ha avanzado de forma tal, que todos los procesos que se llevan a

cabo en la industria, son puestos a prueba a nivel digital o computarizado, lo cual

les permite a las empresas e ingenieros, no hacer inversiones innecesarias y a la

vez observar el comportamiento de los objetos que se planean realizar. Para ello,

son auxiliados por una serie de software de modelado y simulación, los cuales

dependiendo de la estructura a realizar, se utiliza un programa especializado.

El propósito de este proyecto es poner en prácticalas herramientas de diseño

computarizado además de la mecánica de materiales y conocimiento de un chasis

que se nos han brindado en nuestra formación académica. Consideramos que esto

se puede lograr haciendo un modelo de un chasis existente en la actualidad, para

así, poder simular y analizar los diversos esfuerzos que se puedenpresentar en la

vida diaria de un vehículo, aprovechando así, las herramientas de simulación que

algunos de los programas de la actualidad nos ofrecen.

En el actual documento, se abordara primeramente la definición de lo que

consiste un chasis, para así lograr un conocimiento básico y estar debidamente

relacionado con los conceptos que se manejaran después en el proyecto,

abordando también conceptos relevantes de historia, para ubicarnos como ha

avanzado hasta la fecha.

Después, entraremos en materia con los tipos de chasis que existen, para así

pasar de lleno al chasis que está en estudio, un chasis de fórmula uno, en el cual

se llevaran a cabo los estudios antes mencionados. El documento también incluirá

algunos de los software que se manejan en la industria de diseño.

Por último, se presentaran los resultados y evidencias obtenidas en nuestro

proyecto, para así tener el análisis y el conocimiento planteados en esta

investigación, esperando sea de su total agrado.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Como todos los materiales, los chasis son estructuras susceptibles a sufrir

deformaciones, ya sea por impacto, cargas, esfuerzos o vibraciones, las cuales el

ingeniero mecánico, debe ser capaz de corregir de forma adecuada. Para ello es

necesario tener los conocimientos necesarios para identificar y analizar las fallas

que se pueden presentar, y en base a esto tener la facultad de solucionar el

problema.

JUSTIFICACIÓN

La finalidad de este proyecto, es llevar a la práctica las habilidades de diseño

computarizado y análisis de chasis adquiridos en el presente curso. Esto llevándolo

a cabo de una manera en la cual, podamos relacionar las materias de “diseño y

manufactura por computadora”, “mecánica de materiales” y “chasis y carrocerías de

los vehículos”, que se nos impartieron hasta el momento en nuestra formación

académica.

OBJETIVO GENERAL

Modelar y simular un chasis de un vehículo en el software SolidWorks, para

generar con esto, las habilidades necesarias de análisis y simulación en el programa

mencionado.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Realizar una completa investigación sobre los tipos de chasis empleados

en la actualidad.

Seleccionar la opción más conveniente para realizar el modelado.

Modelar las piezas del chasis en el software.

Ensamblar las piezas del chasis.

Realizar análisis de esfuerzos de la estructura.

Documentación del proyecto.

Exposición de resultados y observaciones.

ALCANCES

Modelación de un chasis en el programa SolidWorks, con los elementos

estructurales principales.

Aplicación de conocimientos relacionados con nuestra rama profesional.

Análisis de deformación, tensiones máximas y esfuerzos en la estructura

modelada.

Comprobar el factor de seguridad que posee el chasis.

LIMITACIONES

Elección de un chasis con una estructura muy básica, debido a que se

tienen solo los conocimientos básicos del software SolidWorks.

Simulación y análisis de baja complejidad (despreciando factores como

momentos y vibraciones), ya que los equipos computacionales manejados

son de capacidad limitada.

Poca disponibilidad de diagramas de chasis propiamente acotados.

MARCO TEÓRICO

El chasis

El chasis de un vehículo es la estructura en la que se montan y sujetan los demás

componentes. Soporta sus cargas y ofrece una resistente protección en caso de

accidente.

En la construcción de un chasis existen tres parámetros fundamentales:

- Ligereza. Se puede mejorar mucho la potencia y rendimiento de un motor, pero

debe ir acompañado de un chasis ligero, en otro caso se está desperdiciando

potencia. Por otro lado, el chasis es uno de los elementos más pesados del vehículo,

y un aumento de ligereza proporciona una disminución de consumo importante.

- Rigidez. Sin duda éste es el parámetro fundamental de funcionamiento del

chasis. Es importante conseguir una estructura resistente a impactos para la

protección del piloto, siendo la rigidez el factor del chasis que más influye el

comportamiento del vehículo en pista.

- Economía. La fabricación debe ser económicamente viable. Los chasis con

presupuestos elevados son únicamente utilizados en series cortas de vehículos de

gama alta.

Historia del chasis

En el comienzo de la industria del automóvil (Karl Benz 1885) con motores de

combustión interna, el diseño de la estructura del chasis se consideraba un factor

secundario, debido a las bajas potencias de los automóviles de la época. Poco a

poco y con el desarrollo de motores más potentes, el estudio de la estructura

principal del coche toma una vital importancia en la evolución del automóvil. Este

breve paso por la historia ayudará a entender la tendencia actual en el diseño de

chasis y carrocerías tanto en los coches de serie como en los automóviles de

competición.

Al comienzo y hasta 1910, tanto la estructura como carrocería de los coches de

la época eran de madera, muy similares a los coches de caballos. A partir de 1910

se comienza a trabajar con acero y aluminio en las estructuras de coches. Es en

estos años cuando se empieza a evolucionar buscando una mayor rigidez torsional

del chasis. En 1934 Citroën es la primera marca que introduce el monocasco en un

modelo fabricado en serie (Tractionavant). Tras la Segunda Guerra Mundial y con

una gran carencia de acero en Europa, se desarrollan aleaciones de aluminio y se

aumenta su uso en los chasis de la época. En 1953 Chevrolet, saca al mercado su

Corvette, con un chasis tubular y carrocería completa de fibra de vidrio. Durante los

años sesenta, mientras que en Estados Unidos se seguía utilizando el chasis y

montado sobre él la carrocería, en Europa se empieza a investigar sobre materiales

compuestos, y cada vez más se busca un diseño integrado de carrocería y chasis.

Con la crisis energética a finales de los sesenta, las compañías dirigen sus

esfuerzos a la reducción de peso, llegando en algunos casos a rebajarlo en 500 kg.

En 1979Ford termina su primer vehículo fabricado totalmente en fibra de carbono.

A partir de estos años el objetivo de las empresas es mejorar las ideas existentes

para reducir peso, la meta ahora es reducir consumos y emisiones.

Tipos de chasis en la actualidad

El modelo de mayor implantación en la actualidad, es el que integra chasis y

carrocería, el llamado monocasco. Puede encontrarse de distintos materiales, como

acero, aluminio o materiales compuestos (Figura 1), dándose éstos últimos sólo en

algunos coches de lujo debido a su alto coste y en coches de competición como los

fórmula 1. Sin duda el modelo más utilizado en la actualidad es el monocasco de

acero.

Figura 1. Chasis de fibra de carbono del Porsche Carrera GT, 100 kg [W 4].

Otro tipo de chasis desarrollado en la actualidad, es el basado en la tecnología

llamada SpaceFrame (Figura 2).

Figura 2. SpaceFrame de aluminio, Audi A8. [W 8].

Este tipo de estudio se basa en una estructura teórica de enlaces infinitamente

fuertes unidos en nodos libres para rotar. Es una estructura que hace la función de

soportar y de aportar rigidez al vehículo, a la vez que protege a los ocupantes. La

estructura forma un marco, en el que luego se fijan los paneles. Éstos tienen

también una función activa en el soporte de las cargas del coche. Audi es una de

las marcas que más ha desarrollado esta tecnología, fabricando muchos de sus

modelos en aluminio, reduciendo en algunos casos el peso en un 40%, con las

ventajas que eso conlleva de maniobrabilidad y consumo.

El chasis en los automóviles de competición

Los chasis de competición son en su inmensa mayoría (siempre que el

presupuesto las normas lo permitan) monocascos de materiales compuestos. Éste

es el caso dela Fórmula 1 (Figura 3) y de competiciones inferiores a ésta, pero

similares en cuanto a diseño y funcionamiento del vehículo.

Figura 3. Monocasco de fibra de carbono de un Fórmula 1. [W 9].

En la Figura 3 se pueden observar las distintas capas de fibra carbono, con una

interior de aluminio que aporta rigidez.

Si se observan competiciones de Rally o de fórmulas con un nivel inferior se

utilizan en muchos casos chasis convencionales, y se refuerzan con estructuras

internas tubulares, con protecciones más resistentes para vuelco o colisiones. Este

es el caso que se muestra en la Figura 4.

Figura 4. Chasis tubular como refuerzo del vehículo. [Unzu02].

Chasis en la fórmula SAE

En las competiciones de fórmula SAE, se encuentran diversos tipos de chasis.

Las universidades que disponen de un presupuesto alto y que cuentan con una

experiencia de varios años en competición optan en algunos casos por el

monocasco de fibra de carbono. De todos modos, este tipo de chasis tiene una

participación minoritaria en los monoplazas de esta competición.

Figura 5. Chasis de fibra de carbono de un fórmula SAE. [W 10].

Los equipos que tienen los recursos económicos y técnicos necesarios para

fabricar este tipo de chasis tienen la ventaja de obtener una estructura muy

resistente y con un comportamiento excelente en pista, ya que este tipo de

estructuras ofrecen gran resistencia a torsión y su peso es menor que el de las

estructuras de acero.

Por otro lado las estructuras más comunes en la fórmula SAE son las tubulares

de acero, este tipo de estructuras ofrecen una buena respuesta a los esfuerzos

aunque su principal inconveniente es el aumento del peso respecto a las anteriores

con la ventaja de un coste mucho más reducido.

Como se presentará posteriormente, en el capítulo 3, los espesores de tubo de

algunas partes de la estructura vienen especificados por la normativa SAE, así como

la geometría de las protecciones del piloto.

Figura 6. Chasis tubular de acero con uniones soldadas. [W 1].

Dentro de las estructuras de acero tubulares, la mayoría de ellas son soldadas

(Figura 6), aunque existe la posibilidad de optar por uniones atornilladas en

ciertas partes del chasis, pero normalmente los equipos no utilizan este tipo de

uniones. Otra posibilidad a tener en cuenta es la opción de incluir partes de aluminio

en el chasis con la ventaja de la reducción de peso que esto supone, aunque con

los inconvenientes de incurrir en otro coste al incluir un nuevo material tanto en los

costes como en el diseño.

Aunque la mayoría de los grupos se dedican al estudio de un chasis tubular en

cuanto a la disposición y geometría de materiales, hay algunos equipos que han ido

más allá utilizando tubos de secciones variadas, cuadradas, circulares y en algunos

casos chapas enfrentadas rellenas de ciertos materiales para conseguir siempre el

mismo objetivo, mayor rigidez a torsión con el menor peso y coste posible.

Figura 7. Ejemplo de utilización de distintas geometrías de tubos en el chasis. [W 11].

Como se puede ver en la Figura 7 y Figura 8 hay bastantes posibilidades en lo

que es refiere al diseño, este equipo realizó una combinación de acero, aluminio,

fibra de carbono y una resina entre placas.

Figura 8. Ejemplo de utilización de varios materiales en un mismo chasis. [W 11].

Con esto se ha dado un repaso a los diseños que los equipos de fórmula SAE

están desarrollando, de esta forma se adquiere una idea general de hacía qué punto

se enfocan los estudios de chasis en la fórmula SAE y las posibilidades que se

barajan en esta competición.

Este proyecto, siendo pionero en la universidad se centrará en los chasis de

acero tubulares, que con un coste mínimo tan buenos resultados están dando en

esta competición, ganándola en ciertas ocasiones, coches con este tipo de chasis.

Programas de diseño 3D

SolidWorks

SolidWorks es un programa de diseño mecánico en 3D con el que puede crear

geometría 3D usando solidos paramétricos, la aplicación está enfocada a diseño de

producto, diseño mecánico, ensambles, y dibujos para taller. SolidWorks diseña de

forma que va dejando un historial de operaciones para que puedas hacer referencia

a ellas en cualquier momento.

AutoCad

AutoCAD Design Suite combina el software de AutoCAD con Sketching y con

herramientas que le ayudarán a crear, capturar, conectar y mostrar los diseños con

el máximo impacto, de una forma intuitiva. Permite crear y dibujar diseños 2D y 3D,

eliminar la redundancia dibujos manuales, explorar ideas, generar documentación

detallada, conectarse con datos del mundo real, digitalizar dibujos y planos

escaneados, fácil de compartir el diseño con la plataforma Autodesk 360 en la nube,

presentar con calidad cinematográfica representaciones, realizar Render con

Autodesk 360 a través de la prestación de servicios en la nube, realizar proyectos

completos con herramientas integrales, traducir e importar formatos de archivo

DWG en 3D, explorar ideas con herramientas de modelado 3D.

CimatronEMoldDesign

Es un programa para diseño 3D para moldes, con un CAD 3D integrado pensado

en el ingeniero que diseña herramentales, donde encuentras todas las facilidades

para el moldeo de piezas, el programa te ayuda a hacer tu diseño de molde de forma

más rápida y sencilla, desde la cotización, diseño del molde y dibujos para taller.

Contiene herramientas para diseño como corecavity, moldes base, líneas de

partida, sistemas de enfriamiento y expulsión, diseño de runners, lista de materiales

y control de cambios, aditamentos además de catálogos de partes estándar para

moldes de inyección de plástic.

Puedes usar CimatronE para agilizar cada paso en el proceso de diseño de

moldes, desde el momento en que recibes la pieza hasta el producto terminado.

ANÁLISIS Y EVIDENCIAS

Estudio de Accidente de Ayrton Senna (1994)

Impacto Frontal

Análisis de Fuerza de impacto

F=m.a

Aceleración: 214G 2,098.62m/s^2

Masa: 700kg Reglamento F1

F= (700kg)(2,098.62 m/s^2)= 1,469.03 KN

Modelado

Unidades:

Sistema de unidades: Métrico (MKS)

Longitud/Desplazamiento mm

Temperatura Kelvin

Velocidad angular Rad/seg

Presión/Tensión N/m^2

Propiedades del material :

Nombre: Alúmina

Tipo de modelo: Isotrópico elástico lineal

Criterio de error

predeterminado:

Desconocido

Límite de tracción: 3e+008 N/m^2

Límite de

compresión:

3e+009 N/m^2

Módulo elástico: 3.7e+011 N/m^2

Coeficiente de

Poisson:

0.22

Densidad: 3960 kg/m^3

Módulo cortante: 1.5e+011 N/m^2

Coeficiente de

dilatación térmica:

7.4e-006 /Kelvin

Cargas y sujeciones

Nombre de

sujeción

Imagen de sujeción Detalles de sujeción

Inamovible-1

Entidades: 5 Juntas

Tipo: Inamovible (sin

traslación)

Nombre de

carga

Cargar imagen Detalles de carga

Fuerza-1

Entidades: 1 plano(s), 6 Juntas

Referencia: Right Plane

Tipo: Aplicar fuerza

Valores: -1.46904e+006 N

Fuerzas resultantes

Fuerzas de reacción

Conjunt

o de

seleccion

es

Unidad

es

Suma X Suma Y Sum

a Z

Resultante

Todo el

modelo

N 8.81422e+0

06

-

0.001953

13

-

0.01562

5

8.81422e+0

06

Momentos de reacción

Conjunto

de

selecciones

Unidades Suma X Suma Y Suma Z Resultante

Todo el

modelo

N.m 0 0 0 1e-033

Resultados del estudio

Nombre Tipo Mín. Máx.

Tensiones1 TXY: Tensión

cortante en dir. Y

en plano YZ

0 N/m^2

9.3373e+010 N/m^2

ANALISIS PROYECTO-SENNA ESTUDIO-Tensiones-Tensiones1

Dezplazamientos.

Estudio de accidente de Sergio Pérez (2011)

Impacto Lateral.

Análisis de Fuerza de impacto

F=m.a

Acelera

ción:

30G 294.19

m/s^2

Masa: 692kg Reglame

nto F1

F= (692kg)(294.19 m/s^2)= 203.58 KN

Modelado

Unidades:

Sistema de unidades: Métrico (MKS)

Longitud/Desplazamiento mm

Temperatura Kelvin

Velocidad angular Rad/seg

Presión/Tensión N/m^2

Propiedades del material :

Nombre: Alúmina

Tipo de modelo: Isotrópico elástico lineal

Criterio de error

predeterminado:

Desconocido

Límite de tracción: 3e+008 N/m^2

Límite de

compresión:

3e+009 N/m^2

Módulo elástico: 3.7e+011 N/m^2

Coeficiente de

Poisson:

0.22

Densidad: 3960 kg/m^3

Módulo cortante: 1.5e+011 N/m^2

Coeficiente de

dilatación térmica:

7.4e-006 /Kelvin

Fuerzas Resultantes

Fuerzas de reacción

Conjunto de

selecciones

Unidades Suma

X

Suma

Y

Suma Z Resultante

Todo el

modelo

N 0.0117

188

-

0.007812

5

2.03586e

+006

2.03586e+00

6

Momentos de reacción

Conjunto

de

selecciones

Unidades Suma X Suma Y Suma Z Resultante

Todo el

modelo

N.m 0 0 0 1e-033

Resultados del estudio

Nombre Tipo Mín. Máx.

Tensiones1 TXY: Tensión cortante

en dir. Y en plano YZ

0 N/m^2

4.61099e+010

N/m^2

ANALISIS PROYECTO-Sergio Checo Perez IMPACTO LATERAL-Tensiones-Tensiones1

Nombre Tipo Mín. Máx.

Desplazamientos1 URES: Desplazamiento

resultante

0 mm

Nodo: 22

659.636 mm

Nodo: 895

CONCLUSIÓN

Con la realización proyecto integrado “Diseño y Simulación de un Chasis

Automotriz Mediante el software SolidWorks” se puede llegar a la conclusión de que,

hoy en día que la tecnología es muy avanzada, y con el desarrollo de distintos

programas de computadoras, es casi indispensable tener los conocimientos en los

distintos software de diseño, esto para lograr ser competentes en el área de trabajo

en la que nos desarrollaremos.

La utilización de los distintos softwares de diseño ha revolucionado en la industria

ya que podemos crear un modelo computarizado antes de mandar dicha pieza a

producción, con lo cual podemos minimizar significativamente los fallos, eligiendo

de manera correcta nuestros materiales y las propiedades que debe de tener dicha

pieza.

El software de diseño “SolidWorks” es una herramienta muy útil, en el cual

podemos modelar distintas piezas y después ponerlas a pruebas en un análisis

estático, térmico, conductividad, pandeo entre otros. Es un software bastante fácil

de manejar e intuitivo, pero de igual forma es tan completo que podemos realizar

diseños desde lo más básico hasta lo más complejo, esto con un mayor

conocimiento de dicho programa.

En este proyecto en el cual modelamos un chasis de fórmula 1 y simulamos el

impacto de forma frontal y lateral, se puede observar cómo es que se deforma la

estructura, esto debido a las fuerzas aplicadas sobre el modelo.

BIBLIOGRAFÍA

UNZUETA IRURTIA L. (2002).Proyecto: Diseño, construcción y cálculo estático

de chasis tubulares para coches de competición.

J. RONDAL, K.G.WÜRKER, D. DUTTA, J. WARDEINER, N. YEOMANS.

(1996).Estabilidadde estructuras de perfiles tubulares. Cidect

ALONSO PÉREZ J. (1999). Técnicas del automóvil. Chasis.

J. WARDEINER, Y. KUROBANE, J. A. PACKER, D. DUTTA, N. YEOMANS.

(1996).Guía de diseño para nudos de perfiles tubulares circulares (CHS) bajo cargas

predominantemente estáticas. Cidect

CAMPOY CERVERA. Ignacio. (2007). Análisis de Estructuras Metálicas.

Editorial Dykinson. Madrid, España.

PEREZ WHITE. Thomas. (1992). Elasticidad y Resistencia de Materiales.

Universidad de Oviedo, España.

FUENTES

Normativa fórmula SAE 2005.

http://www.carbodydesign.com/articles/2005-04-13-chassis-history/2005-04-

13-chassis-history.php.

http://icarito.latercera.cl/ especiales/transportes/terrestre/automovil.htm.

http://www.edmunds.comapps/vdpcontainers/do/vdp/articleId=105476/pageNumbe

r=1?synpartner=edmunds&pageurl=www.edmunds.com/new/2005/porsche/carrera

gt/100500350/roadtestarticle.html&articleId=105476.

http://www.osc.edu/education/su_programs/si/si1999/projects/chassisproj.htm.